昼でも星を追跡したSR-71 ブラックバードのAstro-Navシステム
(theaviationgeekclub.com)- SR-71 Blackbirdは衛星航法網以前に長時間の高速偵察を行う必要があり、Nortronics NAS-14V2 ANSが星を使って位置を補正していた
- RSOのコクピット後方にある装置は上部レンズで星を観測し、慣性航法装置を更新しており、航路誘導の精度は少なくとも90m、すなわち300フィート水準だった
- 最大10時間飛行するSR-71は、自機位置を1,885フィート以内、飛行経路中心から300フィート以内に維持する必要があり、その精密航法をANSが担っていた
- ANSはオンボードの恒星リストから少なくとも2つの星を追跡し、クロノメーターで地上基準の位置を計算しており、特殊な石英窓と星追跡装置によって昼間でも星を見ることができた
- 1967年7月2日のSR-71A #17972の訓練飛行では、ANSの故障によりJim WatkinsとDave Dempsterが誤ってメキシコ領空に進入した
SR-71に必要だった星ベースの航法
- SR-71はLockheed A-12とYF-12Aから発展した長距離のMach 3+戦略偵察機だった
- 最初のSR-71飛行は1964年12月22日に行われ、最初の実戦配備機は1966年1月にカリフォルニア州Beale Air Force Baseの4200th、その後9th Strategic Reconnaissance Wingに引き渡された
- Kelly JohnsonはLockheed Martinの記事で、Blackbirdはそれ以前の航空機とはまったく異なるカテゴリであり、「あらゆるものを発明しなければならなかった」と回想している
- A-12プログラムの経験を経た米空軍は、SR-71を安全に運用するには2名の乗員が必要だと判断した
- パイロットは航空機の操縦と自動システムの監視を担当した
- Reconnaissance Systems Officer、すなわちRSOはカメラ、センサー、防御システム、航法システムを扱った
RSOの後ろに搭載されたR2-D2
- RSOは機体に搭載された監視・防御装備を運用した
- その中には、ほとんどの捕捉レーダーや目標追尾レーダーを妨害できる高度なElectronic Counter Measuresシステムが含まれていた
- Nortronics NAS-14V2 Astroinertial Navigation System、すなわちANSもRSOが扱う装備だった
- Smithsonian Institutionによれば、ANSはSR-71に高速な天文航法による位置補正を提供した
- ANSはRSOのコクピット後方に搭載され、1977年に映画『Star Wars』が公開された後は愛称でR2-D2と呼ばれた
- 装置上部のレンズで観測した星を使って航法位置を計算し、その値は慣性航法装置の更新と航路誘導に用いられた
- 航路誘導の精度は少なくとも90m、300フィート水準だった
- 現在の一部の航空機やミサイルシステムでは、改良版がGPSのバックアップとして使われている
1960年代版GPSのように機能したANS
- ANSは1960年代版のGPSに近いものだったが、衛星の代わりに星を使って自機の位置を求めていた
- 現代の衛星航法網が存在しなかった時代には、SR-71の運用地域で必要とされる精密航法を代替する方法はなかった
- SR-71は最大10時間の高速飛行中でも位置を精密に維持する必要があった
- 自機位置を1,885フィート、575m以内に固定できなければならなかった
- 飛行経路の中心から300フィート、91m以内を維持しなければならなかった
- ANSは敵対地域にある特定の精密目標に対する位置基準を提供した
- この装置は、SR-71が離陸前に滑走路上にあるときでも地球の自転を検知できるジャイロコンパスだった
- RSOは滑走路上のある地点の座標とANSの値を比較でき、その2つの値はほとんど常に正確に一致していた
飛行前プログラミングと昼間の星観測
- ANSはオンボードのリストにある星のうち少なくとも2つを同時に追跡し、クロノメーターの助けを借りてSR-71の地上基準位置を計算した
- 各飛行の前に、航空機の基本アラインメントと飛行計画はパンチテープに記録された
- パンチテープは航空機に次の情報を与えた
- どこへ向かうか
- いつ旋回するか
- いつセンサーをオン・オフするか
- 星はRSOのコクピット後方にある特殊な石英窓を通して観測された
- 特殊な星追跡装置により、昼間でも星を見ることができた
- すべての任務で同じ星を使うわけではなく、飛行地域によって使用する星は異なった
- 南半球を飛行するなら、その地域で見える星だけを使ったが、SR-71が実際に南半球を飛行したかどうかは確認されていない
実運用で明らかになった信頼性と限界
- SR-71が巡航速度と高度に到達すると、任務は敵対的または潜在的に敵対的な国家に関する情報をカメラとセンサーで収集することに集中した
- Air Force Colonel Jim Watkinsは、85,000フィートかつMach 3での飛行を「ほとんど宗教的な体験」と表現した
- RSOたちの間ではANSについて、「太陽、月、惑星、星を妨害したり撃墜したりできる者はいない」と言われていた
- 1967年7月2日、Jim WatkinsとDave DempsterはSR-71A #17972で初の国際出撃を行った
- この訓練任務ではANSの故障が発生し、乗員は誤ってメキシコ領空に進入した
1件のコメント
Hacker News の意見
1990年代初頭に一時流行した Windows Mobile 向けに、Pocket Stars という星座表と天体暦アプリを作ったことがある
もともとは外洋航海者が GPS 故障時に備えて、3回以上の六分儀観測から地理的位置を計算するためのものだったのだが、理解しがたい理由でイスラエルの軍需契約業者が大量購入した
おそらく他の電子機器がすべて故障した後でも戦車や兵員が方角をつかむための用途だったのだろうし、私にとっては15分間だけの『博士の異常な愛情』的な巻き込まれ案件だった
米海軍では失われた組織知だったが沿岸警備隊には残っていて、目的は GPS を使えない地域での航法だった
https://slate.com/technology/2015/10/u-s-naval-academy-reins...
冗談だけど、私も昔 WinMo 開発をしていたことを、ほとんど恥じていない
ググらずに記憶だけで再現すると、20世紀末のバーで検証不能な事実を語り合っているような雰囲気だ
亡き母の古い友人に引退したエンジニアがいて、自分が2段式ツナ缶を発明した人物だと言い、経営していた事業で余ったチタン鋳物の端材をよく分けてくれた
彼はおそらく8×4インチほどの研磨された石英結晶の円柱を2つ持っていて、あまりに平坦なので、その間にアルコールを一滴入れると垂直方向に引き離すのが難しいほどだった
それは Polaris 核ミサイルの航法システムから出たもので、星を見て超精密なタイムスタンプと照合し、コアメモリのログ表のようなものを使う形で航法を行っていたのだと主張していた
間違っている部分があれば申し訳ないが、彼の話はかなりもっともらしかったし、今回は Google を切ったまま書いている
幾何学がかなり使われていた
冷戦時代、カリフォルニア沖の潜水艦からミサイルの試験発射を行い、ミサイルは米国本土を横断してフロリダ沖に落下した
ソ連は常に「漁船」を送り込んで試験を測定していたが、沿岸警備隊は追い払わず、むしろこれらのミサイルがどれほど正確かをソ連に知ってほしいと考えていた
アナログ技術で可能だった水準を考えると驚くべきことだ
https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_flat#Wringing
ミサイル航法システムでなぜオプティカルフラットを使っていたのかは分からないが、気になる
フォークリフトの運転手が Trident の誘導システムを落としてしまった後、海軍に再製造のため返送すべきかを判断するシミュレーションを走らせる必要があったと言っていた
輸送箱には乱暴な取り扱いを検知するセンサーが内蔵されていたようで、おそらく3軸で細い線に校正済みの重りを吊るし、どの線が切れたかを見て最大加速度の範囲を推定する方式だったのだと思う
大気圏の大部分を抜けると、MIRV バスの誘導装置がレンズカバーを開けて星を撮影すると聞いた
そのとき MIRV バスは回転中なので望遠鏡は空のかなり広い領域を掃くが、非常に特定の時刻に撮影し、関心領域はかなり小さな空の断片だけだと言っていた
観測された星座と保存済みの基準画像を比較して慣性計測装置を再校正すると聞いたし、1回転で星座を確認し、次の回転で補正を検証した後、すぐに個別弾頭の分離を始めるとも聞いた
これほど短い観測窓で慣性計測装置を再校正するというのは奇妙に見えるが、権限のないインターンに TS/SCI 情報を誤って漏らさないよう、意図的に誤情報を与えた可能性も高い
誘導システムの詳細は魅力的だが、超精密誘導の主な用途が兵器である点は残念だ
研究所のガラス展示ケースには Apollo の慣性計測装置の振り子式積分ジャイロ加速度計があったが、入れる人がごくわずかなのが惜しかった
ジャイロスコープのような航法システムも間近で見ることができる
こうした工学レベルを近くで詳しく見られる機会はめったにないので興味深い
10年ほど前に訪れたとき、写真を何枚か撮った
小さな博物館なのでかなり雑然としているが、Miles M.52 の模型や実物の Fairey Jet Gyrodyne のような独特の展示品もある
https://museumofberkshireaviation.co.uk/html/exhibits/cheval...
https://www.flickr.com/photos/stevecargill/albums/7217772030...
一種の推測航法のように聞こえるが、星の観測と平たい石英ディスクがどう結び付くのか説明してもらえるだろうか？
「［それは］昼間でも星が見えるほど強力だった」という表現はかなり奇妙です。
85,000フィートでは、そこはSR-71の巡航高度でもありますが、宇宙の視界を遮る青い「昼の空」という概念は上ではなく下にしかありません。
その高度では、星図と照合する星を探すカメラを妨げるほどのレイリー散乱は十分にありません。
事実上、宇宙の途中あたりにいると星は常に見えるので、星による航法を使ったということです。
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html
この装置の星センサーに関する興味深い特許がいくつかあり、特に空の背景の勾配に関係しています。
個人的にはLockheedよりNorthropの特許のほうが興味深く、いずれの場合も特許ではコントラストを高めるために赤外線透過フィルターを使うと述べています。
センサーは基本的に、回転シャッターと、星像を視線軸の周りで歳差運動させるくさびプリズムを備えた、アナログのロックイン／同期検出器です。
ほとんどの特許で中核部品はシャッターで、さまざまなパターンがあり、Northropはかなり巧妙な設計を出していました。
光電子増倍管からは周波数変調信号が出てきます。搬送波はシャッターに由来し、変調周波数はプリズムとシャッターの差に由来します。
変調信号の位相と大きさを測定すれば望遠鏡を星へ向けることができ、ロックインによるコーディング利得はかなり大きいです。
以前のコメント:
https://news.ycombinator.com/item?id=27084261
https://news.ycombinator.com/item?id=23238437
https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...
散乱は周波数の4乗に比例するため、赤外域まで下げると散乱光はかなり少なくなります。
空が青い理由もこれで、もし私たちが見られたなら実際には紫外線により近く見えたはずです。
天体写真の判別ソフトもかなり優秀で、映画のスクリーンショットを取り込んで、その星が本物か、正しい半球かを調べる楽しみもありました。
ただし時刻とカメラの向きが分からなければ、位置把握には使えません。
オレゴン州マクミンビルのEvergreen Aerospace Museumに行けば、この装置と機体を間近で見ることができます。
また、DEF-Hと表示された別のBlackbird搭載機器も展示されていますが、普通の白い箱のように見え、見ることはできても何をするものかは分からないようになっています。
写真だけだとスケール感が分かりにくいのですが、実物はものすごく大きな飛行機でした。
専門家ではありませんが、A-12は最終的にSR-71につながったベータ版のような機体だったと理解しています。
https://sandiegoairandspace.org/collection/item/lockheed-a-1...
この装置だけでなく、史上最大の木製飛行機であるSpruce Gooseもあり、本当に巨大です。
https://www.evergreenmuseum.org/exhibit/the-spruce-goose/
http://www.sr71.us/sr_sensors_pg3.htm
少し別の話ですが、昨日、伝統的なポリネシア外洋カヌーの復元船であるHokuleaがサンフランシスコに入りました。
星の観測を含む非計器方式で航海していました。
https://www.sfchronicle.com/bayarea/article/hokulea-polynesi...
Hokuleaの初航海は1975年で、その後、古代ポリネシアの道探しの方法を示し保存するために世界中を航海してきました。
地元ニュースチャンネルが2014年の以前の航海を取り上げ、古代の航海者が星を基準点としてどのように使っていたかを要約した動画もあります。
https://youtu.be/dla3RoQo37M
海の現場で教えるのが理想的な知識であるため、ほとんど失われかけていたことはかなり知られています。
しかし今では、30代の中にも星、音、波の形やパターン、雲の配置、鳥を見て航海できる人たちがいます。
https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/nav...
同じように、砂漠の砂丘の大半が常に変化しているにもかかわらず、砂漠で道を見つけられる人たちもいます。
ちょうど同僚たちと、サーフィンの波に最適な条件について話していたところでした。
カリフォルニアの良い波は太平洋の反対側の嵐から始まり、波は数日かけて何千マイルも移動しても、目立って弱まることがありません。
SR-71や他の冷戦期の偵察機に関心があるなら、Ben Richの『Skunkworks』は開発過程の面白い細部が多く、興味深い本です。
もう一つ面白い事実として、2025年になると、SR-71の初飛行時点は現在よりもWright Flyerに近かった、という歴史上の区間に入ります。
JavaScriptでサンプル用のデジタル六分儀／航法コンピュータを作ってみました。
ブラウザのカメラ制御サポートが限られているので実用性は低いですが、通常は実際の位置から10マイル以内までは合わせられます。
Louisville Astronomical Societyでの発表のために、アルゴリズムがどう動作するかを示す例として主に作りました。
アプリ:
https://www.celestialprogramming.com/apps/celestialfix/sexta...
発表動画、音声は非常に小さいです:
https://www.youtube.com/watch?v=5kAqcZYmWjA&t=5s
おもちゃレベルのスターカメラ実装を作ってみました: https://nickp.svbtle.com/star-cameras
ソースコードには見えますが、星を2つしか使っていないように見えて、それでどう動くのか気になります。
ASTAPとAstrometry.Netは星を3つか4つ使い、その間の角度と距離を計算していると理解しています。
SR-71が南半球で飛行したか確認されていないという点が興味深いです。
実際に飛行しておらず、システムもそれに合わせて設計されていなかったのだとしたら、かなり大胆な設計だったでしょう。
なので、テストしていないものはまったく動かないと仮定し、その制限の中で運用するほうがよい場合もあります。
あまりに予測しやすい問題なので、本当にその話を聞いたのか信じがたく、Googleで検索する適切なキーワードも見つけにくいです。
ただし、南半球でしか見えない星を2つ使う必要がある、という意味かもしれません。
https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...
ミサイル用の天文航法を初めて聞いたときは、Star Trekのように未来的に感じました。
でも今では天体写真をよく撮るようになり、単に自分が使うもう一つの道具になっています。
方法はとても単純で、夜空の写真を撮り、カメラの焦点距離とピクセルサイズさえ分かっていれば、数秒以内に自分の望遠鏡が正確にどこを向いているかを2.5秒角の精度で知ることができます。
望遠鏡やカメラの情報をまったく知らないブラインド方式も可能ですが、その場合は数分ほどかかります。
今では平均的な人でも平均的なハードウェアで、かつてなら世界最高の観測所が多大な労力をかけなければならなかったことを即座に推定できます。
https://en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_ephemeris