سامانه ستاره‌یاب در ماهواره‌های ایرانی
بر این اساس، حسگر ستاره‌یاب نصیر 1 به عنوان ابزار قدرتمند ناوبری، به منظور پایان دادن به وابستگی‌های صنعت هوافضای ایران به كوشش 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 دكتر جعفر روشنی‌یان رییس دانشكده هوافضای دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی كه حسگر ستاره‌یاب نصیر1 توسط وی و تیمی از دانشكده هوافضا و برق این دانشگاه به نتیجه رسیده است همصحبت شده‌ایم.
ناوبری ستاره‌ای بر چه پایه‌ای شكل می‌گیرد؟
شروع ستاره‌شناسی به 2800 سال قبل از میلاد مسیح بر می‌گردد. درآن زمان انسان حركات 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 تفكرات دانشمندان درمورد زمین مركزی یا خورشید مركزی امروزه بشر به اعماق كیهان دسترسی پیدا كرده و حتی نقشه‌های آسمان را نیز تهیه كرده است.
این نقشه‌ها كه از آنها به عنوان كاتولوگ ستارگان یاد می‌شود توسط ماهواره‌های مختلفی همچون هیپاركوس طی سال‌ها عكاسی از فضای لایتناهی، جمع‌آوری شده و در اختیار منجمان قرار گرفته است. زیربنای فناوری ناوبری نجومی بر پایه وجود كاتولوگ ستارگان است. در واقع این كاتولوگ‌های ستاره هستند كه راهنمای ستاره‌یاب در تشخیص ستارگان و تعیین وضعیت هستند. از سوی دیگر نیاز به تعیین موقعیت و وضعیت در خشكی، دریا، هوا و فضا سبب شده است كه دانشمندان و متخصصان به توسعه دانش و فناوری ناوبری با استفاده از روش‌های مختلف بپردازند. روش‌های ناوبری اینرسی INS، روش ناوبری با كمك سیستم موقعیت‌یاب جهانی GPS و روش‌های ناوبری سماوی از جمله روش‌های بارز هستند.
از آنجا كه 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 یكی از فناوری‌های پیچیده و راهبردی در زیرساخت های سامانه‌های هوافضایی محسوب می‌شود كه دستیابی به آن می‌تواند باعث شكوفایی و پیشرفت هر چه بیشتر علوم فضایی و دیگر گرایش‌های مرتبط شود
[h=2]عملكرد یك حسگر ستاره‌یاب مثل ستاره‌یاب نصیر1 چگونه است؟ یك ستاره‌یاب به كمك دوربین نجومی و تجهیزات اپتیكی خود از فضای اطراف ماهواره كه شامل ستارگان است یك عكس تهیه می‌كند. پس از پردازش عكس و استخراج اطلاعات آن، ستارگان ثبت‌شده در تصویر شناسایی‌شده و وضعیت ماهواره با توجه به محور دید عكس تعیین می‌شود. سپس این عكس به كامپیوتر سامانه ستاره‌یاب ارسال شده و ابتدا پردازش می‌شود. پس از پردازش فرآیند بازشناسی الگو صورت گرفته و با كاتالوگ مقایسه می‌گردد. از این رهگذر مشخص می‌گردد كه چه ستاره‌هایی در معرض دید قرار داد و در نتیجه جهت‌یابی دقیق ماهواره صورت گرفته و مسیر یا وضعیت ماهواره اصلاح می‌گردد.
[h=2]حسگر ستاره‌یاب نصیر 1 از چه بخش‌هایی تشكیل شده است؟ سامانه ناوبری نجومی شامل سخت‌افزار اپتیكی، سخت‌افزار الكترونیكی، نرم‌افزار پردازش تصویر، نرم‌افزار تشخیص الگوی ستاره، نرم‌افزار تعیین وضعیت، برنامه‌نویسی زبان ماشین و میز تست می‌شوند. بخش سخت‌افزار اپتیكی یك ستاره‌یاب شامل یك لنز فضایی یا نجومی، یك آشكارساز تصویر و یك پردازنده عددی است. لنز نجومی یك تصویر مناسب از فضا را آماده كرده و به صورت یك تصویر روی آشكارساز می‌فرستد. آشكارساز تصویر اپتیكی را به صورت یك تصویر دیجیتال الكترونیكی تبدیل می‌كند و در نهایت در بخش سخت‌افزار الكترونیكی كه شامل نرم‌افزارهاست، پردازنده عددی وضعیت ماهواره را از تصویر گرفته شده استخراج می‌كند.
همچنین سیستم پردازش تصویر توانایی باز كردن و تحلیل چهار فرمت تصویری (TIFF,FITS,JPG,BMP) را دارد. این تصاویر ابتدا كالیبره شده و بعداز حذف نویز جریان تاریك و نویز بازخوانی وارد مرحله بعدی كه تشخیص نواحی مرتبط با ستارگان است می‌شوند. بعد از مشخص شدن نواحی، مختصات مربوط به مركز هر ستاره در بلوك مركزیابی تعیین و مشخص می‌شود. بردارهای حاصل از مختصات مركز ستارگان به ترتیب شدت روشنایی آنها وارد بلوك بازشناسی الگو خواهد شد؛ این الگوریتم قادر به دستیابی به دقت‌هایی بهتر از نیم‌پیكسل است. علاوه بر این بخشی هم با هدف نورسنجی و استخراج قدر ستارگان در این سیستم تعبیه شده است كه بنابر نیاز كاربر می‌تواند به كار گرفته شود.
[h=2]از این تصاویر چگونه می‌توان فهمید كجا قرار داریم؟ شناسایی ستارگان در میدان دید ستاره‌یاب به روش‌های مختلفی امكان‌پذیر است، الگوریتم‌های گمشده در فضا كه بدون داشتن اطلاعات از وضعیت فعلی، تعیین وضعیت می‌كند و الگوریتم‌های بازگشتی از جمله این روش‌هاست.
الگوریتم‌های به كار گرفته شده در پروژه نصیر1 الگوریتم شناسایی الگوی ستاره بدون بعد از دسته الگوریتم‌های گمشده در فضاست. این الگوریتم از زوایای صفحه‌ای یك مثلث تشكیل شده در تصویر به رئوس ستارگان استفاده می‌كند، اما با توجه به مشكلات فنی این روش اصلاحاتی به این روش اعمال شده كه عملكرد 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 كند.
[h=2]تفاوت ناوبری اینرسی با ناوبری ستاره‌ای چیست؟
علم ناوبری، علم تعیین موقعیت است، هر وسیله پرنده و حتی وسایلی كه در دریاها حركت می‌كنند باید بتوانند موقعیت خود را مشخص كنند. برای این كه بدانند به چه جهتی باید حركت كنند ابتدا باید وضعیت فعلی خود را مشخص كنند. روش معمول استفاده از سیستم‌های ژیروسكوپی است كه به اصطلاح در هوا فضا به ناوبری اینرسی مشهور است، اما برای این‌كه خطاهای این نوع ناوبری كاهش یابند، می‌توان از موقعیت ستاره‌ها استفاده كرد. همان‌طور كه انسان با استفاده از ستاره‌ها موقعیت خود را تشخیص می‌دهند. اگر در یك فضاپیما انسان نباشد این كار باید توسط كامپیوتر انجام شود. بنابراین تصویری كه توسط سیستم ستاره‌یاب گرفته می‌شود توسط برد پردازشگر این سامانه مورد تحلیل قرار می‌گیرد. تمامی الگوریتم‌ها در برد پردازشگر قرار دارد كه می‌تواند از طریق آنها ستاره‌هایی كه در تصویر دیده می‌شود مشخص كرد و موقعیت ماهواره را تعیین و اصلاح كند.
چه كشورهایی صاحب این فناوری هستند و آیا از این حسگر می‌توان در ماهواره‌های بعدی ایران كه در آینده پرتاب می‌شوند، استفاده كرد؟
در حال حاضر كشورهای انگشت‌شماری از صاحبان فناوری ماهواره، موفق به ساخت این حسگر ارزشمند فضایی شده‌اند كه می‌توان به كشورهای روسیه، آمریكا، فرانسه، چین و ژاپن اشاره كرد و در مورد استفاده در ماهواره‌های ایرانی باید بگویم، ان‌شاءالله با ساخت نمونه فضایی سامانه ستاره‌یاب نصیر 1 در چند ماه آتی،این تکنولوژی در ماهواره‌های آینده مورد آزمایش و بهره‌برداری قرار خواهد گرفت.
با پرتاب «ماهواره ملی امید» سوار بر ماهواره بر سفیر امید در سال 87 عصر فضا در ایران آغاز شد و به زعم بسیاری از كارشناسان این حوزه، صنعت هوافضای ایران پس از پرتاب ماهواره امید و تكرار موفقیت در پرتاب ماهواره‌های «رصد 1» و «نوید علم و صنعت» نشان داد كه در زمینه پرتاب و در مدار قرار دادن ماهواره به خودكفایی رسیده است.اما این موفقیت پایان راه نیست و به منظور تثبیت و توسعه این فناوری جهت قرار گرفتن ماهواره در مدارهای 36 هزار كیلومتر كه به مدار «زمین آهنگ» مشهورند، استفاده از ابزارهای دقیق ناوبری امری اجتناب‌ناپذیر است.
بر این اساس، حسگر ستاره‌یاب نصیر 1 به عنوان ابزار قدرتمند ناوبری، به منظور پایان دادن به وابستگی‌های صنعت هوافضای ایران به كوشش 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 دكتر جعفر روشنی‌یان رییس دانشكده هوافضای دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی كه حسگر ستاره‌یاب نصیر1 توسط وی و تیمی از دانشكده هوافضا و برق این دانشگاه به نتیجه رسیده است همصحبت شده‌ایم.
ناوبری ستاره‌ای بر چه پایه‌ای شكل می‌گیرد؟
شروع ستاره‌شناسی به 2800 سال قبل از میلاد مسیح بر می‌گردد. درآن زمان انسان حركات 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 تفكرات دانشمندان درمورد زمین مركزی یا خورشید مركزی امروزه بشر به اعماق كیهان دسترسی پیدا كرده و حتی نقشه‌های آسمان را نیز تهیه كرده است.
این نقشه‌ها كه از آنها به عنوان كاتولوگ ستارگان یاد می‌شود توسط ماهواره‌های مختلفی همچون هیپاركوس طی سال‌ها عكاسی از فضای لایتناهی، جمع‌آوری شده و در اختیار منجمان قرار گرفته است. زیربنای فناوری ناوبری نجومی بر پایه وجود كاتولوگ ستارگان است. در واقع این كاتولوگ‌های ستاره هستند كه راهنمای ستاره‌یاب در تشخیص ستارگان و تعیین وضعیت هستند. از سوی دیگر نیاز به تعیین موقعیت و وضعیت در خشكی، دریا، هوا و فضا سبب شده است كه دانشمندان و متخصصان به توسعه دانش و فناوری ناوبری با استفاده از روش‌های مختلف بپردازند. روش‌های ناوبری اینرسی INS، روش ناوبری با كمك سیستم موقعیت‌یاب جهانی GPS و روش‌های ناوبری سماوی از جمله روش‌های بارز هستند.
از آنجا كه 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 یكی از فناوری‌های پیچیده و راهبردی در زیرساخت های سامانه‌های هوافضایی محسوب می‌شود كه دستیابی به آن می‌تواند باعث شكوفایی و پیشرفت هر چه بیشتر علوم فضایی و دیگر گرایش‌های مرتبط شود
[h=2]عملكرد یك حسگر ستاره‌یاب مثل ستاره‌یاب نصیر1 چگونه است؟ یك ستاره‌یاب به كمك دوربین نجومی و تجهیزات اپتیكی خود از فضای اطراف ماهواره كه شامل ستارگان است یك عكس تهیه می‌كند. پس از پردازش عكس و استخراج اطلاعات آن، ستارگان ثبت‌شده در تصویر شناسایی‌شده و وضعیت ماهواره با توجه به محور دید عكس تعیین می‌شود. سپس این عكس به كامپیوتر سامانه ستاره‌یاب ارسال شده و ابتدا پردازش می‌شود. پس از پردازش فرآیند بازشناسی الگو صورت گرفته و با كاتالوگ مقایسه می‌گردد. از این رهگذر مشخص می‌گردد كه چه ستاره‌هایی در معرض دید قرار داد و در نتیجه جهت‌یابی دقیق ماهواره صورت گرفته و مسیر یا وضعیت ماهواره اصلاح می‌گردد.
[h=2]حسگر ستاره‌یاب نصیر 1 از چه بخش‌هایی تشكیل شده است؟ سامانه ناوبری نجومی شامل سخت‌افزار اپتیكی، سخت‌افزار الكترونیكی، نرم‌افزار پردازش تصویر، نرم‌افزار تشخیص الگوی ستاره، نرم‌افزار تعیین وضعیت، برنامه‌نویسی زبان ماشین و میز تست می‌شوند. بخش سخت‌افزار اپتیكی یك ستاره‌یاب شامل یك لنز فضایی یا نجومی، یك آشكارساز تصویر و یك پردازنده عددی است. لنز نجومی یك تصویر مناسب از فضا را آماده كرده و به صورت یك تصویر روی آشكارساز می‌فرستد. آشكارساز تصویر اپتیكی را به صورت یك تصویر دیجیتال الكترونیكی تبدیل می‌كند و در نهایت در بخش سخت‌افزار الكترونیكی كه شامل نرم‌افزارهاست، پردازنده عددی وضعیت ماهواره را از تصویر گرفته شده استخراج می‌كند.
فناوری ناوبری نجومی یكی از فناوری‌های پیچیده و راهبردی در زیرساخت های سامانه‌های هوافضایی محسوب می‌شود كه دستیابی به آن می‌تواند باعث شكوفایی و پیشرفت هر چه بیشتر علوم فضایی و دیگر گرایش‌های مرتبط شود
همچنین سیستم پردازش تصویر توانایی باز كردن و تحلیل چهار فرمت تصویری (TIFF,FITS,JPG,BMP) را دارد. این تصاویر ابتدا كالیبره شده و بعداز حذف نویز جریان تاریك و نویز بازخوانی وارد مرحله بعدی كه تشخیص نواحی مرتبط با ستارگان است می‌شوند. بعد از مشخص شدن نواحی، مختصات مربوط به مركز هر ستاره در بلوك مركزیابی تعیین و مشخص می‌شود. بردارهای حاصل از مختصات مركز ستارگان به ترتیب شدت روشنایی آنها وارد بلوك بازشناسی الگو خواهد شد؛ این الگوریتم قادر به دستیابی به دقت‌هایی بهتر از نیم‌پیكسل است. علاوه بر این بخشی هم با هدف نورسنجی و استخراج قدر ستارگان در این سیستم تعبیه شده است كه بنابر نیاز كاربر می‌تواند به كار گرفته شود.
[h=2]از این تصاویر چگونه می‌توان فهمید كجا قرار داریم؟ شناسایی ستارگان در میدان دید ستاره‌یاب به روش‌های مختلفی امكان‌پذیر است، الگوریتم‌های گمشده در فضا كه بدون داشتن اطلاعات از وضعیت فعلی، تعیین وضعیت می‌كند و الگوریتم‌های بازگشتی از جمله این روش‌هاست.
الگوریتم‌های به كار گرفته شده در پروژه نصیر1 الگوریتم شناسایی الگوی ستاره بدون بعد از دسته الگوریتم‌های گمشده در فضاست. این الگوریتم از زوایای صفحه‌ای یك مثلث تشكیل شده در تصویر به رئوس ستارگان استفاده می‌كند، اما با توجه به مشكلات فنی این روش اصلاحاتی به این روش اعمال شده كه عملكرد 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 كند.
[h=2]تفاوت ناوبری اینرسی با ناوبری ستاره‌ای چیست؟
علم ناوبری، علم تعیین موقعیت است، هر وسیله پرنده و حتی وسایلی كه در دریاها حركت می‌كنند باید بتوانند موقعیت خود را مشخص كنند. برای این كه بدانند به چه جهتی باید حركت كنند ابتدا باید وضعیت فعلی خود را مشخص كنند. روش معمول استفاده از سیستم‌های ژیروسكوپی است كه به اصطلاح در هوا فضا به ناوبری اینرسی مشهور است، اما برای این‌كه خطاهای این نوع ناوبری كاهش یابند، می‌توان از موقعیت ستاره‌ها استفاده كرد. همان‌طور كه انسان با استفاده از ستاره‌ها موقعیت خود را تشخیص می‌دهند. اگر در یك فضاپیما انسان نباشد این كار باید توسط كامپیوتر انجام شود. بنابراین تصویری كه توسط سیستم ستاره‌یاب گرفته می‌شود توسط برد پردازشگر این سامانه مورد تحلیل قرار می‌گیرد. تمامی الگوریتم‌ها در برد پردازشگر قرار دارد كه می‌تواند از طریق آنها ستاره‌هایی كه در تصویر دیده می‌شود مشخص كرد و موقعیت ماهواره را تعیین و اصلاح كند.
چه كشورهایی صاحب این فناوری هستند و آیا از این حسگر می‌توان در ماهواره‌های بعدی ایران كه در آینده پرتاب می‌شوند، استفاده كرد؟
در حال حاضر كشورهای انگشت‌شماری از صاحبان فناوری ماهواره، موفق به ساخت این حسگر ارزشمند فضایی شده‌اند كه می‌توان به كشورهای روسیه، آمریكا، فرانسه، چین و ژاپن اشاره كرد و در مورد استفاده در ماهواره‌های ایرانی باید بگویم، ان‌شاءالله با ساخت نمونه فضایی سامانه ستاره‌یاب نصیر 1 در چند ماه آتی،این تکنولوژی در ماهواره‌های آینده مورد آزمایش و بهره‌برداری قرار خواهد گرفت.
بخش دانش و زندگی تبیان