你是誰？旅行者……

你在哪兒(er) ？外邊兒(er) ……

你要往哪兒(er) 去？去遠方……

麵對靈魂三問，給出這幾個(ge) 答案的要是個(ge) 人，那沒什麽(me) 大不了，誰還沒個(ge) 迷茫叛逆期？可這麽(me) 答題的要是個(ge) 航天器……地麵上的科學家們(men) 可就得當場抓狂了。要想探索星辰大海，時刻都能搞清楚自己的位置，實在是個(ge) 基本課題，然而，這說起來容易做起來難，接下來咱們(men) 就簡單聊聊。

旅行者。圖源：NASA

太空中，怎麽(me) 找著“北”？

先假想這樣一個(ge) 實驗：在你家客廳裏，把窗簾拉得嚴(yan) 嚴(yan) 實實，做到真正伸手不見五指。接著，戴著夜視鏡的主持人拉住你的手，在屋裏左幾步右幾步再轉幾個(ge) 圈，總之就是隨機運動一番，保證你徹底繞暈。這時再讓你說出自己的位置，並指出門口的方向，你還能做到嗎？要不怎麽(me) 說“徹底繞暈，找不著北”了呢。

這時隻見主持人把一枚光線非常微弱，隻能照亮一點點區域的熒光小球放在桌上，說：“這是你的餐桌”，我們(men) 能立即指出門口方向麽(me) ？恐怕還是不行，因為(wei) 單憑這一個(ge) 標記，還是無從(cong) 知曉我們(men) 的方位。

現在主持人又拿出一枚熒光小球，說：“你最喜歡坐的那個(ge) 小沙發在這裏哦”，這下，我們(men) 的導航技能就會(hui) 立即激活，隨手指出屋內(nei) 每樣陳設的位置。用這兩(liang) 盞小燈作為(wei) 參考，我們(men) 甚至可以倒退著走到門口去。這是因為(wei) 對於(yu) 房間這種可以簡化成平麵地圖的地方，有兩(liang) 個(ge) 明確參照物咱們(men) 就能確定自己的位置了。

那麽(me) 問題來了，在四下無著的太空中穿行的探測器，如何知道自己的位置和朝向呢——我是誰？我在哪兒(er) ？我要到哪兒(er) 去？航天器確定自己的位置時和我們(men) 在小黑屋差不多，隻是它身處茫茫三維空間定位更加困難，要想準確到達目的地，就要給它足夠多、足夠明確的參照物，供它判斷自己的位置、姿態和飛行方向。

凝望家的方向，才能奔向遠方

著名的旅行者2號探測器為(wei) 例，它配備有太陽傳(chuan) 感器和老人星跟蹤器，時刻掌握著太陽和全天第二亮星老人星的方位。有這兩(liang) 顆星作參考，旅行者就能“一路倒退”著前行，去探索太陽係和廣袤無垠的空間。

大家可能要問：為(wei) 什麽(me) 要跟蹤第二亮星呢？為(wei) 什麽(me) 不選排名第一的天狼星？因為(wei) 天狼星離黃道太近，光路容易受太陽方向的眩光幹擾。老人星和太陽分得夠開，所以是個(ge) 理想的方位參照。

在研製旅行者的時代，每段程序、每份內(nei) 存都很寶貴，它判斷“現在跟蹤器裏出現的是老人星”的方法還很原始，就是測量恒星亮度，傳(chuan) 回地球確認：“嗯，就是它，一直盯著吧。”

思路縝密的讀者這裏會(hui) 喊停：等一下！你說旅行者把亮度數據發回地球確認？可是既然跟蹤器裏出現的還不一定是老人星，那麽(me) 探測器的天線也未必指向地球，你怎麽(me) 保證地球能收到數據？

科學家的思路也很縝密，他們(men) 讓旅行者在任務開頭80天內(nei) ，不用定向發射的高增益天線，而用波束發散的低增益天線跟地球聯絡。這時探測器還沒飛遠，所以即使它不完全正對地球，雙方交流也沒有問題。

而在內(nei) 存不值錢的今天，人們(men) 則是把許多亮星的光譜數據存到探測器裏，讓它根據亮度和光譜自己做出判斷。

有些恒星跟蹤器製造商甚至把亮星們(men) 兩(liang) 兩(liang) 之間的角距離放入數據庫, 由於(yu) 亮星位置很隨機，因此每份距離數據都獨一無二，非常可靠。例如跟蹤器看到兩(liang) 顆亮星間隔27.1045°，到庫裏一查，立刻就能判斷這是天狼星和參宿四，迅速鎖定雙方身份之後，再測測光譜、或另找一顆星對照一下，就能辨認出誰是天狼星、誰是參宿四。

旅行者2號，它真丟(diu) 過……

那麽(me) ，如果航天器飛著飛著，突然搞不清自己在哪兒(er) 了會(hui) 怎麽(me) 樣？一種可能就是它們(men) 偏離軌道，漸行漸遠直到丟(diu) 失，而有些航天器則可以搶救一下。

比如前不久，在太空中飛行了46年的傳(chuan) 奇探測器旅行者2號就險些“走丟(diu) ”。7月21日，美國航天局朝旅行者2號發了一些指令，但裏麵有個(ge) bug，使它原本一直指向地球的天線偏轉了2°。2°是什麽(me) 概念呢？

你平舉(ju) 胳膊一陣子，累了胳膊肯定會(hui) 晃，以肩膀為(wei) 軸，胳膊上下偏移的角度就有1°~2°了，這時指尖偏移的幅度不過區區一兩(liang) 厘米，這是因為(wei) 成年人的胳膊不過半米多長，然而旅行者2號已經飛到200億(yi) 千米以外，這小小2°的角度偏差，會(hui) 使它的信號波束中心偏離地球7億(yi) 千米——要知道地球距離太陽才隻有1.5億(yi) 千米呢！所謂“失之毫厘謬之千裏”，這句話用在宇宙簡直太合適了，結果旅行者2號就此失聯。

地球上的科學家一邊猛拍大腿懊悔不已，一邊嚐試著把它找回來。8月1日，他們(men) 發現和旅行者聯絡的深空探測網還能嗅到一絲(si) “我還活著”的載波信號。8月3日，科學家使用深空探測網在堪培拉的100千瓦S波段上行鏈路，衝(chong) 著旅行者2號的方向“大吼一聲”：“你倒是把頭轉過來啊~”

位於(yu) 堪培拉的深空探測網天線。圖源：NASA

雖然旅行者2號發出的信號偏離地球，但地球不會(hui) 弄錯它的位置，這聲大吼不偏不倚地擊中了它。盡管它歪著腦袋，還是聽到了，在發出指令37個(ge) 小時後，地球重新收到了旅行者2號的正常信號，人們(men) 真把它找回來了。

假如這聲呼喊沒起作用，旅行者2號會(hui) 不會(hui) 永遠丟(diu) 失呢？其實尋回的可能性還是相當大，因為(wei) 每隔一段時間，它就會(hui) 自我修正一下姿態，把天線重新對準地球。剛過去的10月15日，就是計劃中的這樣一個(ge) 日子，不過，它還是最好別丟(diu) ……

精細調整不可少

航天器知道自己在哪裏很重要，知道且能調整自己的姿態也很重要，假設一顆用來拍攝地球表麵的衛星，都被翻了個(ge) 底朝天還不知道，那一切可就白費了。好在隨著科技進步，咱們(men) 不缺太空定位和姿態感知技術。

比如短期內(nei) 航天器的航向、姿態或速度改變，可以使用陀螺儀(yi) 和加速度計來檢測。陀螺儀(yi) 運用角動量守恒原理來感知方向的變化，加速度計則感知速度的變化。就像電影裏被劫匪綁架的天才少年一樣，蒙著眼也能知道車拐了幾個(ge) 彎（陀螺儀(yi) ），等了幾個(ge) 燈（加速度計），事後還能帶著警察徑直摸到劫匪的老巢。

而前文提到很多次的恒星方位，除了能讓航天器知道自己在哪兒(er) ，也能讓航天器知道自己目前的姿態。就像我們(men) 在自己房間裏，即使不參考重力，一看眼前是天花板，腳朝著牆，頭頂著另一堵牆，就明白自己是平躺著的了。了解自己的姿態之後，航天器就能指哪打哪地開展觀測。

例如：哈勃深場是對著大熊座內(nei) 一片隻有2.6角分的天區拍攝342張圖像之後合成的，開普勒望遠鏡則把視線鎖定在天鵝座和天琴座之間。

開普勒望遠鏡的觀測區域。圖源NASA

對於(yu) 地球附近飛行的通信衛星、氣象衛星這些需要時刻麵朝大地的航天器，它們(men) 每繞地球轉一圈，自身也要翻個(ge) 跟鬥。除了通過跟蹤恒星、或使用陀螺儀(yi) 獲取姿態以外，還有一些低成本的可靠辦法。比如紅外地平儀(yi) ，通過將地球大氣層的紅外輻射與(yu) 冰冷太空進行對比，就能迅速感知地球的圓形輪廓，圓心就是航天器正下方的大地。

紅外地平儀(yi) 通過觀測紅外輻射的陡升陡降來獲取大地輪廓，判斷自身姿態，衛星正飛越西安上空。作者製作示意圖

大家可能對恒星跟蹤還有疑問：恒星分布在三維空間裏，而不是固定在一個(ge) 球麵上。就算是在球麵上，隨著航天器在太空飛速疾馳，恒星的位置怎麽(me) 可能不變呢？怎麽(me) 可以放到數據庫裏查閱呢？

這是因為(wei) 恒星都太遠了，就連離我們(men) 最近的比鄰星都有4.22光年之遙。旅行者2號奮力飛了46年，剛剛飛到比鄰星距離的2000分之一！這就像把我們(men) 放到一個(ge) 半徑兩(liang) 米的圈子中心，讓我們(men) 花46年平移一毫米，問我們(men) 感覺到什麽(me) 變化沒有。在航天器眼裏，除了太陽以外，恒星位置幾乎都沒動過。

但假如我們(men) 的航天器萬(wan) 壽無疆，或者我們(men) 幹脆來個(ge) “流浪地球”，一直飛下去、看下去，隨著星際間的穿行，我們(men) 眼中的恒星位置就會(hui) 逐漸改變，平時熟悉的星座也會(hui) 紛紛走樣，現有的姿態感知方法就失效了。

當然，有兩(liang) 個(ge) 解決(jue) 方法。一是改用更加遙遠的星係作參考，它們(men) 距離我們(men) 動輒幾千萬(wan) 光年，尺度更大，所以更加穩定。二是使用恒星的更多信息，不但有方位，還有距離、自行速度等，這樣航天器就可以自己計算飛到哪兒(er) 時，參考恒星的方位會(hui) 怎樣變化。為(wei) 了做到這一點，我們(men) 就得把恒星距離測得非常準確才行。

總結

航天器知道自己的位置和姿態很重要，這需要參照物，而最常用的參照物就是恒星。隨著人類向著星辰大海不斷進發，咱們(men) 的星圖一定會(hui) 越來越精確，越來越龐大，幫助更多的航天器飛向遠方。

策劃製作

作者丨曲炯 科普創作者

審核丨劉勇 中國科學院國家空間科學中心研究員

策劃丨丁崝

責編丨白莉

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