你是誰(shuí)？旅行者……

你在哪兒？外邊兒……

你要往哪兒去？去遠方……

面對靈魂三問(wèn)，給出這幾個(gè)答案的要是個(gè)人，那沒(méi)什么大不了，誰(shuí)還沒(méi)個(gè)迷茫叛逆期？可這么答題的要是個(gè)航天器……地面上的科學(xué)家們可就得當場(chǎng)抓狂了。要想探索星辰大海，時(shí)刻都能搞清楚自己的位置，實(shí)在是個(gè)基本課題，然而，這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，接下來(lái)咱們就簡(jiǎn)單聊聊。

旅行者。圖源：NASA

太空中，怎么找著(zhù)“北”？

先假想這樣一個(gè)實(shí)驗：在你家客廳里，把窗簾拉得嚴嚴實(shí)實(shí)，做到真正伸手不見(jiàn)五指。接著(zhù)，戴著(zhù)夜視鏡的主持人拉住你的手，在屋里左幾步右幾步再轉幾個(gè)圈，總之就是隨機運動(dòng)一番，保證你徹底繞暈。這時(shí)再讓你說(shuō)出自己的位置，并指出門(mén)口的方向，你還能做到嗎？要不怎么說(shuō)“徹底繞暈，找不著(zhù)北”了呢。

這時(shí)只見(jiàn)主持人把一枚光線(xiàn)非常微弱，只能照亮一點(diǎn)點(diǎn)區域的熒光小球放在桌上，說(shuō)：“這是你的餐桌”，我們能立即指出門(mén)口方向么？恐怕還是不行，因為單憑這一個(gè)標記，還是無(wú)從知曉我們的方位。

現在主持人又拿出一枚熒光小球，說(shuō)：“你最喜歡坐的那個(gè)小沙發(fā)在這里哦”，這下，我們的導航技能就會(huì )立即激活，隨手指出屋內每樣陳設的位置。用這兩盞小燈作為參考，我們甚至可以倒退著(zhù)走到門(mén)口去。這是因為對于房間這種可以簡(jiǎn)化成平面地圖的地方，有兩個(gè)明確參照物咱們就能確定自己的位置了。

那么問(wèn)題來(lái)了，在四下無(wú)著(zhù)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(shuí)？我在哪兒？我要到哪兒去？航天器確定自己的位置時(shí)和我們在小黑屋差不多，只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(tài)和飛行方向。

凝望家的方向，才能奔向遠方

著(zhù)名的旅行者2號探測器為例，它配備有太陽(yáng)傳感器和老人星跟蹤器，時(shí)刻掌握著(zhù)太陽(yáng)和全天第二亮星老人星的方位。有這兩顆星作參考，旅行者就能“一路倒退”著(zhù)前行，去探索太陽(yáng)系和廣袤無(wú)垠的空間。

大家可能要問(wèn)：為什么要跟蹤第二亮星呢？為什么不選排名第一的天狼星？因為天狼星離黃道太近，光路容易受太陽(yáng)方向的眩光干擾。老人星和太陽(yáng)分得夠開(kāi)，所以是個(gè)理想的方位參照。

在研制旅行者的時(shí)代，每段程序、每份內存都很寶貴，它判斷“現在跟蹤器里出現的是老人星”的方法還很原始，就是測量恒星亮度，傳回地球確認：“嗯，就是它，一直盯著(zhù)吧?！?/p>

思路縝密的讀者這里會(huì )喊停：等一下！你說(shuō)旅行者把亮度數據發(fā)回地球確認？可是既然跟蹤器里出現的還不一定是老人星，那么探測器的天線(xiàn)也未必指向地球，你怎么保證地球能收到數據？

科學(xué)家的思路也很縝密，他們讓旅行者在任務(wù)開(kāi)頭80天內，不用定向發(fā)射的高增益天線(xiàn)，而用波束發(fā)散的低增益天線(xiàn)跟地球聯(lián)絡(luò )。這時(shí)探測器還沒(méi)飛遠，所以即使它不完全正對地球，雙方交流也沒(méi)有問(wèn)題。

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

有些恒星跟蹤器制造商甚至把亮星們兩兩之間的角距離放入數據庫, 由于亮星位置很隨機，因此每份距離數據都獨一無(wú)二，非?？煽?。例如跟蹤器看到兩顆亮星間隔27.1045°，到庫里一查，立刻就能判斷這是天狼星和參宿四，迅速鎖定雙方身份之后，再測測光譜、或另找一顆星對照一下，就能辨認出誰(shuí)是天狼星、誰(shuí)是參宿四。

旅行者2號，它真丟過(guò)……

那么，如果航天器飛著(zhù)飛著(zhù)，突然搞不清自己在哪兒了會(huì )怎么樣？一種可能就是它們偏離軌道，漸行漸遠直到丟失，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年的傳奇探測器旅行者2號就險些“走丟”。7月21日，美國航天局朝旅行者2號發(fā)了一些指令，但里面有個(gè)bug，使它原本一直指向地球的天線(xiàn)偏轉了2°。2°是什么概念呢？

你平舉胳膊一陣子，累了胳膊肯定會(huì )晃，以肩膀為軸，胳膊上下偏移的角度就有1°~2°了，這時(shí)指尖偏移的幅度不過(guò)區區一兩厘米，這是因為成年人的胳膊不過(guò)半米多長(cháng)，然而旅行者2號已經(jīng)飛到200億千米以外，這小小2°的角度偏差，會(huì )使它的信號波束中心偏離地球7億千米——要知道地球距離太陽(yáng)才只有1.5億千米呢！所謂“失之毫厘謬之千里”，這句話(huà)用在宇宙簡(jiǎn)直太合適了，結果旅行者2號就此失聯(lián)。

地球上的科學(xué)家一邊猛拍大腿懊悔不已，一邊嘗試著(zhù)把它找回來(lái)。8月1日，他們發(fā)現和旅行者聯(lián)絡(luò )的深空探測網(wǎng)還能嗅到一絲“我還活著(zhù)”的載波信號。8月3日，科學(xué)家使用深空探測網(wǎng)在堪培拉的100千瓦S波段上行鏈路，沖著(zhù)旅行者2號的方向“大吼一聲”：“你倒是把頭轉過(guò)來(lái)啊~”

位于堪培拉的深空探測網(wǎng)天線(xiàn)。圖源：NASA

雖然旅行者2號發(fā)出的信號偏離地球，但地球不會(huì )弄錯它的位置，這聲大吼不偏不倚地擊中了它。盡管它歪著(zhù)腦袋，還是聽(tīng)到了，在發(fā)出指令37個(gè)小時(shí)后，地球重新收到了旅行者2號的正常信號，人們真把它找回來(lái)了。

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

精細調整不可少

航天器知道自己在哪里很重要，知道且能調整自己的姿態(tài)也很重要，假設一顆用來(lái)拍攝地球表面的衛星，都被翻了個(gè)底朝天還不知道，那一切可就白費了。好在隨著(zhù)科技進(jìn)步，咱們不缺太空定位和姿態(tài)感知技術(shù)。

比如短期內航天器的航向、姿態(tài)或速度改變，可以使用陀螺儀和加速度計來(lái)檢測。陀螺儀運用角動(dòng)量守恒原理來(lái)感知方向的變化，加速度計則感知速度的變化。就像電影里被劫匪綁架的天才少年一樣，蒙著(zhù)眼也能知道車(chē)拐了幾個(gè)彎（陀螺儀），等了幾個(gè)燈（加速度計），事后還能帶著(zhù)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，也能讓航天器知道自己目前的姿態(tài)。就像我們在自己房間里，即使不參考重力，一看眼前是天花板，腳朝著(zhù)墻，頭頂著(zhù)另一堵墻，就明白自己是平躺著(zhù)的了。了解自己的姿態(tài)之后，航天器就能指哪打哪地開(kāi)展觀(guān)測。

例如：哈勃深場(chǎng)是對著(zhù)大熊座內一片只有2.6角分的天區拍攝342張圖像之后合成的，開(kāi)普勒望遠鏡則把視線(xiàn)鎖定在天鵝座和天琴座之間。

開(kāi)普勒望遠鏡的觀(guān)測區域。圖源NASA

對于地球附近飛行的通信衛星、氣象衛星這些需要時(shí)刻面朝大地的航天器，它們每繞地球轉一圈，自身也要翻個(gè)跟斗。除了通過(guò)跟蹤恒星、或使用陀螺儀獲取姿態(tài)以外，還有一些低成本的可靠辦法。比如紅外地平儀，通過(guò)將地球大氣層的紅外輻射與冰冷太空進(jìn)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。

紅外地平儀通過(guò)觀(guān)測紅外輻射的陡升陡降來(lái)獲取大地輪廓，判斷自身姿態(tài)，衛星正飛越西安上空。作者制作示意圖

大家可能對恒星跟蹤還有疑問(wèn)：恒星分布在三維空間里，而不是固定在一個(gè)球面上。就算是在球面上，隨著(zhù)航天器在太空飛速疾馳，恒星的位置怎么可能不變呢？怎么可以放到數據庫里查閱呢？

這是因為恒星都太遠了，就連離我們最近的比鄰星都有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！這就像把我們放到一個(gè)半徑兩米的圈子中心，讓我們花46年平移一毫米，問(wèn)我們感覺(jué)到什么變化沒(méi)有。在航天器眼里，除了太陽(yáng)以外，恒星位置幾乎都沒(méi)動(dòng)過(guò)。

但假如我們的航天器萬(wàn)壽無(wú)疆，或者我們干脆來(lái)個(gè)“流浪地球”，一直飛下去、看下去，隨著(zhù)星際間的穿行，我們眼中的恒星位置就會(huì )逐漸改變，平時(shí)熟悉的星座也會(huì )紛紛走樣，現有的姿態(tài)感知方法就失效了。

當然，有兩個(gè)解決方法。一是改用更加遙遠的星系作參考，它們距離我們動(dòng)輒幾千萬(wàn)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時(shí)，參考恒星的方位會(huì )怎樣變化。為了做到這一點(diǎn)，我們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(tài)很重要，這需要參照物，而最常用的參照物就是恒星。隨著(zhù)人類(lèi)向著(zhù)星辰大海不斷進(jìn)發(fā)，咱們的星圖一定會(huì )越來(lái)越精確，越來(lái)越龐大，幫助更多的航天器飛向遠方。

策劃制作

作者丨曲炯 科普創(chuàng )作者

審核丨劉勇 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

策劃丨丁崝

責編丨白莉

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