سامانه ستاره‌یاب در ماهواره‌های ایرانی

اما این موفقیت پایان راه نیست و به منظور تثبیت و توسعه این فناوری جهت قرار گرفتن ماهواره در مدارهای ۳۶هزار کیلومتر که به مدار «زمین آهنگ» مشهورند، استفاده از ابزارهای دقیق ناوبری امری اجتناب‌ناپذیر است.

بر این اساس، حسگر ستاره‌یاب نصیر ۱ به عنوان ابزار قدرتمند ناوبری، به منظور پایان دادن به وابستگی‌های صنعت هوافضای ایران به کوشش دانشمندان فضایی دانشگاه خواجه نصیر‌الدین طوسی و با حمایت ستاد توسعه فناوری هوافضای معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری طراحی و تولید شده است.

با دکتر جعفر روشنی‌یان رییس دانشکده هوافضای دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی که حسگر ستاره‌یاب نصیر۱ توسط وی و تیمی از دانشکده هوافضا و برق این دانشگاه به نتیجه رسیده است همصحبت شده‌ایم. گفت‌وگویمان را بخوانید.

ناوبری ستاره‌ای بر چه پایه‌ای شکل می‌گیرد؟

شروع ستاره‌شناسی به ۲۸۰۰ سال قبل از میلاد مسیح بر می‌گردد. درآن زمان انسان‌ حرکات ستاره‌های آسمان را به عنوان وسیله‌ای برای اندازه‌گیری زمان و تخمین‌ تقویم زیرنظر داشتند، اما این موضوع رفته‌رفته ابعاد دیگری نیز به خود گرفت. با گذشت سال‌ها و تغییر تفکرات دانشمندان درمورد زمین مرکزی یا خورشید مرکزی امروزه بشر به اعماق کیهان دسترسی پیدا کرده و حتی نقشه‌های آسمان را نیز تهیه کرده است.

این نقشه‌ها که از آنها به عنوان کاتولوگ ستارگان یاد می‌شود توسط ماهواره‌های مختلفی همچون هیپارکوس طی سال‌ها عکاسی از فضای لایتناهی، جمع‌آوری شده و در اختیار منجمان قرار گرفته است. زیربنای فناوری ناوبری نجومی بر پایه وجود کاتولوگ ستارگان است. در واقع این کاتولوگ‌های ستاره هستند که راهنمای ستاره‌یاب در تشخیص ستارگان و تعیین وضعیت هستند. از سوی دیگر نیاز به تعیین موقعیت و وضعیت در خشکی، دریا، هوا و فضا سبب شده است که دانشمندان و متخصصان به توسعه دانش و فناوری ناوبری با استفاده از روش‌های مختلف بپردازند. روش‌های ناوبری اینرسی INS، روش ناوبری با کمک سیستم موقعیت‌یاب جهانی GPS و روش‌های ناوبری سماوی از جمله روش‌های بارز هستند.

از آنجا که روش‌های ناوبری نجومی بر مبنای مشاهده اجرام سماوی نظیر خورشید و ستاره‌ها توسعه می‌یابند جزو دقیق‌ترین و قابل اعتمادترین روش‌های ناوبری هستند.

فناوری ناوبری نجومی یکی از فناوری‌های پیچیده و راهبردی در زیرساخت ‌های سامانه‌های هوافضایی محسوب می‌شود که دستیابی به آن می‌تواند باعث شکوفایی و پیشرفت هر چه بیشتر علوم فضایی و دیگر گرایش‌های مرتبط شود.

عملکرد یک حسگر ستاره‌یاب مثل ستاره‌یاب نصیر۱ چگونه است؟

یک ستاره‌یاب به کمک دوربین نجومی و تجهیزات اپتیکی خود از فضای اطراف ماهواره که شامل ستارگان است یک عکس تهیه می‌کند. پس از پردازش عکس و استخراج اطلاعات آن، ستارگان ثبت‌شده در تصویر شناسایی‌شده و وضعیت ماهواره با توجه به محور دید عکس تعیین می‌شود. سپس این عکس به کامپیوتر سامانه ستاره‌یاب ارسال شده و ابتدا پردازش می‌شود. پس از پردازش فرآیند بازشناسی الگو صورت گرفته و با کاتالوگ مقایسه می‌گردد. از این رهگذر مشخص می‌گردد که چه ستاره‌هایی در معرض دید قرار داد و در نتیجه جهت‌یابی دقیق ماهواره صورت گرفته و مسیر یا وضعیت ماهواره اصلاح می‌گردد.

حسگر ستاره‌یاب نصیر ۱ از چه بخش‌هایی تشکیل شده است؟

سامانه ناوبری نجومی شامل سخت‌افزار اپتیکی، سخت‌افزار الکترونیکی، نرم‌افزار پردازش تصویر، نرم‌افزار تشخیص الگوی ستاره، نرم‌افزار تعیین وضعیت، برنامه‌نویسی زبان ماشین و میز تست می‌شوند. بخش سخت‌افزار اپتیکی یک ستاره‌یاب شامل یک لنز فضایی یا نجومی، یک آشکارساز تصویر و یک پردازنده عددی است. لنز نجومی یک تصویر مناسب از فضا را آماده کرده و به صورت یک تصویر روی آشکارساز می‌فرستد. آشکارساز تصویر اپتیکی را به صورت یک تصویر دیجیتال الکترونیکی تبدیل می‌کند و در نهایت در بخش سخت‌افزار الکترونیکی که شامل نرم‌افزارهاست، پردازنده عددی وضعیت ماهواره را از تصویر گرفته شده استخراج می‌کند.

همچنین سیستم پردازش تصویر توانایی باز کردن و تحلیل چهار فرمت تصویری (TIFF,FITS,JPG,BMP) را دارد. این تصاویر ابتدا کالیبره شده و بعداز حذف نویز جریان تاریک و نویز بازخوانی وارد مرحله بعدی که تشخیص نواحی مرتبط با ستارگان است می‌شوند. بعد از مشخص شدن نواحی، مختصات مربوط به مرکز هر ستاره در بلوک مرکزیابی تعیین و مشخص می‌شود. بردارهای حاصل از مختصات مرکز ستارگان به ترتیب شدت روشنایی آنها وارد بلوک بازشناسی الگو خواهد شد؛ این الگوریتم قادر به دستیابی به دقت‌هایی بهتر از نیم‌پیکسل است. علاوه بر این بخشی هم با هدف نورسنجی و استخراج قدر ستارگان در این سیستم تعبیه شده است که بنابر نیاز کاربر می‌تواند به کار گرفته شود.

از این تصاویر چگونه می‌توان فهمید کجا قرار داریم؟

شناسایی ستارگان در میدان دید ستاره‌یاب به روش‌های مختلفی امکان‌پذیر است، الگوریتم‌های گمشده در فضا که بدون داشتن اطلاعات از وضعیت فعلی، تعیین وضعیت می‌کند و الگوریتم‌های بازگشتی از جمله این روش‌هاست.

الگوریتم‌های به کار گرفته شده در پروژه نصیر۱ الگوریتم شناسایی الگوی ستاره بدون بعد از دسته الگوریتم‌های گمشده در فضاست. این الگوریتم از زوایای صفحه‌ای یک مثلث تشکیل شده در تصویر به رئوس ستارگان استفاده می‌کند، اما با توجه به مشکلات فنی این روش اصلاحاتی به این روش اعمال شده که عملکرد آن را بسیار بهبود بخشیده است. از این رو این سامانه قادر است تا با تصویربرداری از ستارگان آسمان و تطبیق اطلاعات آنها با حافظه پردازشگر خود، وضعیت ماهواره‌ها را با دقت بالایی محاسبه کند.

تفاوت ناوبری اینرسی با ناوبری ستاره‌ای چیست؟

علم ناوبری، علم تعیین موقعیت است، هر وسیله پرنده و حتی وسایلی که در دریاها حرکت می‌کنند باید بتوانند موقعیت خود را مشخص کنند. برای این که بدانند به چه جهتی باید حرکت کنند ابتدا باید وضعیت فعلی خود را مشخص کنند. روش معمول استفاده از سیستم‌های ژیروسکوپی است که به اصطلاح در هوا فضا به ناوبری اینرسی مشهور است، اما برای این‌که خطاهای این نوع ناوبری کاهش یابند، می‌توان از موقعیت ستاره‌ها استفاده کرد.

همان‌طور که انسان با استفاده از ستاره‌ها موقعیت خود را تشخیص می‌دهند. اگر در یک فضاپیما انسان نباشد این کار باید توسط کامپیوتر انجام شود. بنابراین تصویری که توسط سیستم ستاره‌یاب گرفته می‌شود توسط برد پردازشگر این سامانه مورد تحلیل قرار می‌گیرد. تمامی الگوریتم‌ها در برد پردازشگر قرار دارد که می‌تواند از طریق آنها ستاره‌هایی که در تصویر دیده می‌شود مشخص کرد و موقعیت ماهواره را تعیین و اصلاح کند.

چه کشورهایی صاحب این فناوری هستند و آیا از این حسگر می‌توان در ماهواره‌های بعدی ایران که در آینده پرتاب می‌شوند، استفاده کرد؟

در حال حاضر کشورهای انگشت‌شماری از صاحبان فناوری ماهواره، موفق به ساخت این حسگر ارزشمند فضایی شده‌اند که می‌توان به کشورهای روسیه، آمریکا، فرانسه، چین و ژاپن اشاره کرد و در مورد استفاده در ماهواره‌های ایرانی باید بگویم، ان‌شاءالله با ساخت نمونه فضایی سامانه ستاره‌یاب نصیر ۱ در چند ماه آتی،این تکنولوژی در ماهواره‌های آینده مورد آزمایش و بهره‌برداری قرار خواهد گرفت.

امیربامه – جام‌جم