إحدى مشاكل إطلاق قمر صناعي إلى الفضاء هي مشكلة الملاحة الفورية - أي مشكلة العثور على موقع واتجاه قمر صناعي يحوم في مكان ما فوق السماء في الوقت الفعلي. النجوم قد تكون الحل
عيران جاليلي، جاليليو
"الأخ الأكبر، عينه مفتوحة" - هذا ما كتبه جورج أورويل في كتابه "1984"، ويبدو اليوم أن أكثر من 3,000 قمر صناعي تدور حول كوكبنا تفي بكلماته. لكن إطلاق قمر صناعي ليس مسألة كذا وكذا - فالظروف القاسية السائدة في الفضاء والموارد الهائلة اللازمة لإيصال الأقمار الصناعية إلى هناك تفرض قيدين ثقيلين على مهندسي الفضاء: أولا، يجب أن تكون مكونات القمر الصناعي متينة قدر الإمكان في الفضاء. من أجل تحمل ظروف درجات الحرارة القصوى والمجالات المغناطيسية القوية والإشعاعات السائدة في الفضاء، ولكن في الوقت نفسه، يجب أن تكون المكونات أيضًا خفيفة وصغيرة قدر الإمكان - فكل كيلوغرام إضافي في وزن القمر الصناعي يضيف عشرات الآلاف من الدولارات لسعر إرساله إلى المدار.
إن تصوير النجوم ليس مهمة بسيطة كما يبدو: فالكويكبات وحتى الحطام الفضائي قد يخفي نجومًا معينة عن القمر الصناعي. وقد "يكتشفها" القمر الصناعي أيضًا كنجوم "جديدة".
وحتى من وجهة نظر خوارزمية، فإن تصميم قمر صناعي ليس بالمهمة السهلة: إذ يجب على نظام التحكم في القمر الصناعي أن يتعامل مع العديد من المشكلات بشكل مستقل، دون مساعدة البشر على الأرض. إحدى المشاكل الرئيسية هي مشكلة الملاحة الفورية - أي مشكلة العثور على موقع واتجاه القمر الصناعي الذي يحوم في مكان ما فوق السماء في الوقت الفعلي.
وبما أن مشكلة الملاحة هي مشكلة أساسية ومهمة جداً، فإن هناك العديد من الأنظمة التي تتعامل معها. ومع ذلك، كلما كانت هناك حاجة إلى معلومات أكثر دقة - كلما أصبح النظام أكثر تكلفة، سواء من الناحية المالية أو من حيث الحجم والوزن - تكون الموارد محدودة، خاصة في الأقمار الصناعية.
هناك أقمار صناعية تتطلب بيانات موقع دقيقة للغاية - أقمار التصوير الفوتوغرافي. مع تحسن تكنولوجيا التصوير الفوتوغرافي وتحسن الكاميرات وقدرتها على تصوير الأجسام الأصغر فأصغر، يجب أن تكون الملاحة أكثر حذرًا - عدم الدقة بجزء من الدرجة في اتجاه القمر الصناعي للتصوير الفوتوغرافي قد يؤدي إلى تفويت هدفه تمامًا، و بدلاً من قاعدة عسكرية سرية لتصوير عنزة وبرج الجدي. الأنظمة التي توفر مستوى الدقة المطلوبة للتصوير عبر الأقمار الصناعية تكون ثقيلة وكبيرة ومكلفة.
الحل يكمن في النجوم
يمكن حل هذه المشكلة بطريقة إبداعية: فبدلاً من شراء مكون باهظ الثمن وكبير وثقيل، سنستخدم مكونًا باهظ الثمن وكبيرًا وثقيلًا موجود بالفعل في كل قمر صناعي للتصوير الفوتوغرافي، مهما كان: الكاميرا. لكن بدلاً من تصوير القواعد والماعز على الأرض، سنقوم بتدوير القمر الصناعي 180 درجة - وتصوير النجوم.
الموقع النسبي للأرض والنجوم القريبة والنجوم البعيدة يتسبب في "تحرك" النجوم القريبة في السماء خلال العام
إذا تمكن القمر الصناعي من التعرف على النجوم في مجال رؤيته، فسيكون قادرًا على حساب اتجاهه - على غرار بحار في المحيط، ولكن بشكل أكثر دقة (لأن البحارة الذين أبحروا بواسطة النجوم لم يكن لديهم معالجات دقيقة). البحارة اليوم التنقل باستخدام أقمار GPS الصناعية، والأقمار الصناعية -GPS تتنقل باستخدام النجوم). في الواقع، تعتمد العديد من أنظمة الملاحة المتطورة على مبدأ اكتشاف النجوم، ولكنها تستخدم مكونًا مخصصًا يسمى متتبع النجوم.
إذا كان الأمر كذلك، فللتنقل عبر قمرنا الصناعي للتصوير الفوتوغرافي، نحتاج فقط إلى تحديد النجوم من صورة مأخوذة من كاميرته. يبدو الأمر بسيطًا - لكنه في الواقع ليس كذلك. طريقة الملاحة بمساعدة النجوم، وخاصة بالكاميرا العادية، يجب أن تتغلب على عدة عقبات.
معوقات النظام النجمي
أولاً، الكاميرا التي تم تجهيز القمر الصناعي بها مناسبة جداً لتصوير الأجسام على سطح الأرض، لكن النجوم أمر مختلف تماماً. قد يبدو تصوير النجوم أمرًا بسيطًا للوهلة الأولى - فهي مجرد نقاط بيضاء على خلفية سوداء - ولكن هناك بعض العوائق التي تقف في طريقنا. أولاً، قد تخفي الكويكبات وسحب الغبار والأقمار الصناعية المعطلة وحتى الحطام الفضائي نجومًا معينة عن القمر الصناعي، أو بدلاً من ذلك، قد "يكتشفها" عن طريق الخطأ على أنها نجوم "جديدة". علاوة على ذلك، فإن القمر الصناعي والأرض من حوله عبارة عن كرة والنجوم نفسها تتحرك بشكل متواصل في مدارات معقدة، مما يتسبب في تغيير موقعها حيث "يراها" القمر الصناعي.
ولذلك، هناك حاجة إلى دمج المرشحات في البرنامج القادر على التمييز بين الأجرام السماوية الرئيسية والثانوية، والترتيب بأقصى قدر من الدقة حيث تظهر النجوم (أو، بشكل أكثر دقة، حيث تظهر مراكزها) - ولكن هذه هي البداية فقط .
هنا هو المكان المناسب للتمييز الأساسي بين وجهتي نظر مختلفتين - مساحة الإدخال، وهي مواقع النجوم كما يراها القمر الصناعي، ومساحة الكتالوج، وهي مواقع النجوم كما تظهر في موقعنا قاعدة بيانات أو فهرس - أي كما يراها مراقب واقف (على ما يبدو) في مركز الكرة - هآرتس، في 1.1.2000 كانون الثاني (يناير) 12، الساعة 1.1.2000 ظهرًا، حسب توقيت غرينتش (انظر وصف قاعدة البيانات أدناه). نظرًا لعدم وجود قمر صناعي في مركز الأرض بتاريخ 8 (على الأقل ليس خلال السنوات الثماني الماضية...)، فقد يكون الفضاءان مختلفين تمامًا.
طموح الخوارزمية 2 (تشير كلمة "خوارزمية" إلى طريقة منظمة تتكون من سلسلة من الإجراءات المحددة مسبقًا. على سبيل المثال، الخوارزمية "غلي الماء، صب مسحوق القهوة في الكوب، صب الماء في الكوب، إضافة السكر أو الحليب" "والتحريك" هي خوارزمية لصنع القهوة) وهي تحديد النجوم في مساحة الإدخال ومطابقتها لمظهرها في مساحة الكتالوج.
يمكن أن تكون الاختلافات بين وجهات النظر المختلفة ليست صغيرة على الإطلاق - انظر الصورة 1، الاختلافات في موقع نجم برنارد في العشرين عامًا الماضية. (نجم برنارد، الذي يبعد عن شمسنا حوالي 6 سنوات ضوئية، هو رابع أقرب نجم لنا. ولكن لأنه نجم قزم أحمر من لاماسا، فإن شدة ضوءه ضعيفة جدا ولا يمكن رؤيته بالعين المجردة. ) (انظر الصورة أعلاه على اليسار)
العديد من الظواهر الفيزيائية مسؤولة عن الاختلافات في المواقع الظاهرة للنجوم. وبما أن كل نجم قد يتحرك بطريقة مختلفة عن النجوم الأخرى، فإذا لم نأخذ هذه الظواهر بعين الاعتبار، فلن نتمكن من تكييف مساحة الإدخال مع مساحة الكتالوج. ولذلك، يجب أن تأخذ خوارزمياتنا في الاعتبار العوامل الفلكية التي لها تأثير لا يستهان به على موقع النجوم.
المنظر
المنظر هو اختلاف في الموضع الظاهري للأشياء القريبة بالنسبة إلى خلفية بعيدة، نتيجة تغير موضع الراصد. في حالتنا، الأجسام عبارة عن نجوم قريبة نسبيًا، والخلفية عبارة عن نجوم بعيدة جدًا، لا يتغير موقعها في السماء (على الأقل ليس نتيجة الانكسار!).
أول من قام بقياس اختلاف اختلاف زاوية الأجرام السماوية هو فريدريش بيسل، في عام 1838. وقد استخدمه بيسل لحساب المسافة بين الأرض ونجم سيغني-61، بطريقة سيتم وصفها لاحقا.
وكما ترون في الصورة، فإن الموقع النسبي للأرض والنجوم القريبة والنجوم البعيدة يتسبب في "تحرك" النجوم القريبة في السماء خلال العام. زاوية المنظر θ، التي تحدد مدى حركة النجم المرصود في السماء، تعتمد على مسافة النجم من الراصد على الأرض، ويمكن حسابها باستخدام الصيغة المثلثية أدناه (يمكنك إثبات الصيغة عن طريق بالنظر إلى ظل زاوية الرأس إلى θ في الشكل):
تخيل أنك في السيارة، بينما السماء تمطر بالخارج (ولكن لا توجد رياح!). عندما تكون السيارة متوقفة (المربع الأيسر في الصورة)، يسقط المطر خارج النافذة عموديا - من الأعلى إلى الأسفل. لكن عندما تتحرك السيارة، يبدو أن المطر يهطل بزاوية، وكلما زادت سرعة السيارة، زادت حدة زاوية المطر؛ وذلك لأن سرعة السيارة تزداد في الاتجاه العمودي على اتجاه حركة المطر. ويحدث الشيء نفسه مع أشعة الضوء، عندما تكون سرعة الراصد متعامدة مع اتجاهها.
نحن لا نلاحظ انحراف الضوء في حياتنا اليومية لأن سرعة الضوء أكبر بحوالي عشرة ملايين مرة من سرعة سياراتنا، لكن الأرض تتحرك بسرعة أعلى بكثير - حوالي 1/10,000 من سرعة الضوء. ولذلك فإن هناك انحرافاً في اتجاه أشعة الضوء من النجوم إلى الأرض، وبالتالي أيضاً في الوضع الظاهري للنجوم.
حركة النفس
يُعرف الانحراف واختلاف المنظر أيضًا بالحركات غير الذاتية، لأنها ناتجة عن حركة الأرض والراصد، وليس عن حركة النجوم نفسها؛ تظهر النجوم عادة في مجموعات ثابتة. إلا أن القياسات الدقيقة على فترات لسنوات عديدة أظهرت أن النجوم تتحرك بشكل مستقل عن بعضها البعض، ولكن نظرا للمسافة الكبيرة بينها وبيننا، فإن الحركة صغيرة جدا ويمكن حسابها بطريقة بسيطة، باستثناء في الحالات القصوى، بسبب سرعات أو مدارات غير عادية بالنسبة للشمس (مثل نجم بارنارد، في الصورة أعلاه). وتسمى هذه الحركة بالحركة الصحيحة.
في الجزء الثاني من المقال: ما هي البيانات اللازمة للقمر الصناعي حتى يتمكن من "البحث" عن النجوم في المكان الصحيح، وكيف تتعرف على النجوم؟
