Отслеживание позиции имеет решающее значение во многих ситуациях. На Земле это обычно относительно прямолинейно, поскольку на протяжении столетий разрабатывались системы, которые позволяли бы получить хотя бы приблизительное определение своего положения на этой планете. Но для спутника в космосе, однако, это сложнее. Как они направляют свои тарелки связи на Землю?
Звезды являются очевидным ориентиром. Перед подсистемой управления ориентацией и артикуляцией (AACS) на космических зондах «Вояджер-1» и «Вояджер-2» стоит незавидная задача - удерживать тарелку связи космического корабля точно на одной линии с тарелкой связи на Земле, которая из глубокого космоса представляет собой непостижимо маленькую цель.
Вернувшись на Землю, концепция звездного слежения стала довольно популярной среди фотографов, которые пытаются запечатлеть ночное небо. Даже в вашей гостиной системы VR также полагаются на знание положения тела пользователя и любых периферийных устройств в пространстве. В этой статье мы рассмотрим историю и текущие применения этого типа отслеживания позиций.
Астрономическая навигация
Млечный Путь над уругвайским маяком. (Астрономическая навигация практикуется уже тысячи лет. Теоретически все, что вам нужно, это ваши глаза и некоторые знания о том, как Солнце, Луна и звезды движутся по небу в течение сезона, чтобы понять направление. Но это не говорит вам о вашем положении на поверхности Земли.
На протяжении большей части истории человечества корабли оставались в пределах видимости побережья и редко пересекали большие водоемы. Когда они совершали переходы, они часто использовали счисление пути, используя известное положение, курс и скорость. Хотя понятие широты существовало уже некоторое время, для точного измерения широты требовались инструменты для определения угла, такие как астролябия, изобретенная около 200 г. до н.э., или секстант, изобретенный в 16 веке..
Астролябия, секстант и т.п. измеряют углы между известными небесными телами, по которым можно определить широту. Определение долготы было важным вопросом, который в конечном итоге сводился к наличию точных часов, поскольку долгота и солнечное время напрямую связаны. Изобретение часов, которые были бы точными и могли использоваться на корабле или движущемся транспортном средстве, не было решено до 19-го века, когда они стали настолько надежными и доступными, что альтернативы (метод лунного расстояния) потеряли популярность..
Ориентация в пространстве
Чертеж "Вояджера-1" с его компонентами.
Хотя навигация в ошеломляюще огромном космическом вакууме может показаться более сложной, чем на Земле, в основном применяются те же принципы. Самое главное - иметь хотя бы одну точку отсчета. В случае наземной навигации это может быть Солнце, Луна или любая яркая звезда с известной траекторией и местоположением на небе.
Для космического зонда обычная метафора «плавание по океану звезд» довольно уместна, когда речь идет о навигации. Подсистема управления ориентацией и артикуляцией (AACS), известная на кораблях "Вояджер", "Кассини" и других космических кораблях, составляет ядро системы навигации и позиционирования. Кассини использует ряд датчиков, в том числе звездные опорные единицы (SRU), инерциальные опорные единицы (IRU) и солнечные датчики (SSA). Эти SRU представляют собой датчики звездного неба на основе ПЗС, которые вместе с другими устройствами сообщают космическому кораблю его относительное положение в космосе.
Космический корабль «Вояджер» использует аналогичную систему AACS, как и другие космические корабли в прошлом и зонды после «Вояджера-1» и «Вояджера-2». используются. AACS Voyager использует солнечный датчик для определения рыскания и тангажа, а также звездный трекер для непрерывного отслеживания яркой звезды под прямым углом для определения крена. Галилей ссылается на сканер звезд, который вращается вместе с вращающейся частью космического корабля. Магеллан использовал звездный сканер, чтобы зафиксировать две яркие звезды во время специального маневра каждые несколько витков.
Звездный трекер с подключенной камерой DSLR. (Звездные трекеры полезны не только в космосе. Чтобы сфотографировать Млечный Путь и ночное небо, датчику пленки или камеры требуется длительная выдержка, чтобы собрать достаточно света от (слабого) света звезд. Поскольку Земля постоянно вращается, положение звезд смещается, и это приводит к размытому беспорядку даже в течение десяти секунд экспозиции, не говоря уже о полминуте или дольше. В прежние времена вращение камеры или телескопа вместе со звездами выполнялось путем выравнивания оси вращения с земной осью и поворота ее с заданной скоростью вращения для своего местоположения на Земле. В более современных устройствах для астрофотографии используется фотосенсор, который фиксирует одну или несколько звезд, перемещая камеру, установленную на трекере, ровно на то расстояние, которое необходимо для получения четкого изображения.
Тела в космосе
По крайней мере, на данный момент последний рубеж, когда дело доходит до отслеживания своего положения, - это не космическое пространство, а наши гостиные. Значительные деньги на исследования и разработки вкладываются в создание еще более реалистичной и естественной виртуальной реальности (VR). Для этого необходимо, чтобы система могла отслеживать не только то, куда смотрит пользователь в виртуальном мире, но и то, где в данный момент находятся его придатки.
Хороший вид инфракрасных светодиодов Oculus Rift CV1, используемых в его системе слежения. (В VR позиционное отслеживание направлено на определение рыскания, наклона и наклона дисплеев, контроллеров или частей тела. Здесь есть два основных варианта: либо датчики на пользователе отслеживают маркеры в его окружении, как это делает Oculus Rift S, либо датчики, которые окружают пользователя, отслеживают маркеры на теле пользователя или на контроллерах, как в Oculus Rift. Система CV1 с метким названием Constellation. Конечно, у каждого решения есть свой набор преимуществ и недостатков (и недовольных пользователей).
Методы захвата движения, часто используемые для фильмов (CGI) и видеоигр, работают аналогичным образом. Большая разница между VR и захватом движения заключается в том, что для захвата движения допустимо экипировать объект в специальные костюмы с маркерами, а также часто включать более мелкие детали движений лица, что в VR менее интересно, чем отслеживание движения человека. свои цифры. Вы же не хотите тратить двадцать минут на переодевание только для того, чтобы сыграть в игру.
Хорошее отслеживание идет своим чередом
Независимо от того, путешествуете ли вы по поверхности небесного тела, в пространстве между звездами или в виртуальной реальности, дико вертясь в гостиной под любопытными взглядами ваших питомцев, проблемы, связанные с определением положения и ориентации, остаются. Меняется только фактическое пространство, в котором осуществляется навигация.
Улучшенная навигация на Земле привела человечество к исследованию и заселению практически каждого участка земли на этой планете, созданию точных карт и определению своего местоположения в земных океанах, на суше и в небе с постоянно возрастающей точностью. Со временем мы научились создавать свои собственные маркеры в дополнение к Солнцу и звездам, используя маяки, радиомаяки и, наконец, созвездие спутников для обеспечения навигации.
В космосе наши зонды больше не ориентируются только по звездам. Сеть дальнего космоса НАСА предоставляет услуги связи и отслеживания для любого космического корабля внутри нашей Солнечной системы и за ее пределами. На данный момент только самая большая 70-метровая антенна сети все еще может связываться с зондами «Вояджер» и отслеживать их, когда они отправляются все дальше в глубокий космос.
Интересная инверсия: то, что позволяло первым морякам перемещаться по семи морям, а более поздним космическим зондам - по Солнечной системе, теперь используется для отслеживания вас в вашей гостиной, когда вы исследуете миры, существующие в нашем коллективе. воображение.