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スター・トラッカーは、光電セルまたはカメラを使用して星の位置を測定する光学装置です。 [ 1 ] 多くの星の位置は天文学者によって高精度で測定されているため、衛星や宇宙船に搭載されたスター・トラッカーは、星に対する宇宙船の向き（姿勢）を決定するために使用できます。これを行うには、スター・トラッカーは星の画像を取得し、宇宙船の基準座標系での見かけの位置を測定し、星を識別して、その位置を星カタログからの既知の絶対位置と比較する必要があります。スター・トラッカーには、観測された星のパターンを空の既知の星のパターンと比較することによって星を識別するプロセッサが含まれる場合があります。
1950年代から1960年代初頭にかけて、慣性航法システム（INS）が大陸間射程には十分な精度を備えていなかった時代には、スタートラッカーは初期の長距離弾道ミサイルや巡航ミサイルの重要な部分であった。[ 2 ]
冷戦時代のミサイルが目標に向かって飛んでいる様子を考えてみましょう。ミサイルは最初は北に向かって飛び始め、北極上空を通過し、その後再び南に向かって飛び始めます。ミサイルの視点から見ると、後ろの星は南の地平線に近づいているように見え、前の星は昇っているように見えます。飛行前に、ミサイルが正しい位置にある場合、その瞬間にミサイルがどこにあるべきかに基づいて、星の相対的な角度を計算できます。それを測定された位置と比較することで、「エラーオフ」信号が生成され、ミサイルを正しい軌道に戻すために使用できます。[ 2 ]
地球の自転により、使用可能な位置にある星は一日を通して変化し、目標の位置も変化します。一般的には、いくつかの明るい星が選ばれ、打ち上げ時に1つが選択されます。星の追跡のみに基づく誘導システムでは、何らかの記録機構、通常は磁気テープに、一日を通しての星の角度を表す信号が事前に記録されます。打ち上げ時には、テープが適切な時刻に送られます。[ 2 ]飛行中、テープの信号を使用して望遠鏡を大まかに配置し、星の予想される位置を指差します。望遠鏡の焦点には、光電セルと何らかの信号発生器、通常はチョッパーと呼ばれる回転ディスクがあります。チョッパーは、星の像を光電セル上に繰り返し表示および非表示にし、信号を生成し、その信号を平滑化して交流出力を生成します。その信号の位相をチョッパの位相と比較することで、星に対する角度を決定し、この角度をテープ上の予想される角度と比較することで、誘導信号を生成することができます。[ 2 ]ロックインアンプと組み合わせたチョッパは、ノイズに対する耐性を高めるのにも役立ちます。
スタートラッカーは、慣性航法装置（INS）と組み合わせて使用されることが多かった。INSシステムは加速度を測定し、それを時間積分して速度を算出し、必要に応じて二重積分して発射位置に対する相対位置を算出する。わずかな測定誤差でも、積分すると「ドリフト」と呼ばれる無視できない誤差となる。例えば、SM-64ナバホ巡航ミサイル用に開発されたN-1航法システムは、1時間あたり1海里の割合でドリフトした。つまり、2時間の飛行後には、INSは実際の位置から2海里（3.7km 、2.3マイル）離れた位置を示すことになる。これは、目標とする精度である約0.5マイルの範囲外であった。
INS の場合、磁気テープを取り外して、代わりに INS から信号を得ることができます。システムの残りの部分は以前と同じように動作します。INS からの信号でスター トラッカーがおおよそ位置付けられ、その後、スター トラッカーが星の実際の位置を測定して誤差信号を生成します。この信号は、INS から生成される位置を補正するために使用され、蓄積されたドリフトをトラッカーの精度の限界まで低減します。[ 2 ]これらの「恒星慣性」システムは、1950 年代から 1980 年代にかけて特に一般的でしたが、今日でも一部のシステムで使用されています。[ 3 ] [ 4 ]
現在、多くのモデル[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]が利用可能です。また、世界のCubeSat研究者および開発者コミュニティで使用するために設計されたオープンプロジェクトも存在します。 [ 10 ] [ 11 ] 高感度を必要とするスタートラッカーは、宇宙船から反射された太陽光、または宇宙船スラスタからの排気ガスプルーム（太陽光の反射またはスタートラッカーの窓の汚染）によって混乱する可能性があります。スタートラッカーは、さまざまな光学的誤差源（球面収差、色収差など）に加えて、さまざまな誤差（低空間周波数、高空間周波数、時間など）にも影響を受けやすいです。また、星識別アルゴリズムの混乱の原因となる可能性のあるものも多数あります（惑星、彗星、超新星、隣接する星の点像分布関数の二峰性、他の近隣の衛星、地球上の大都市からの点光源の光害など）。一般的に使用されている明るい航行用星は約 57 個あります。しかし、より複雑なミッションでは、宇宙船の姿勢を決定するために星野データベース全体が使用されます。高精度姿勢決定のための典型的な星カタログは、標準ベースカタログ (たとえば米国海軍天文台) から作成され、見かけの等級の変動、色指数の不確実性、または信頼性の低さを示唆するヘルツシュプルング・ラッセル図内の位置などの問題のある星を除去するためにフィルタリングされます。これらのタイプの星カタログは、宇宙船のメモリに数千個の星を保存したり、地上局のツールを使用して処理してからアップロードしたりできます。宇宙状況認識センサーとして、スタートラッカーは宇宙デブリの検出[ 12 ]や衛星の識別[ 13 ] に使用できます。