你是誰？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，給出這幾個答案的要是個人，那沒什麽大不了，誰還沒個迷茫叛逆期？可這麽答題的要是個航天器……地面上的科學家們可就得當場抓狂了。要想探索星辰大海，時刻都能搞清楚自己的位置，實在是個基本課題，然而，這說起來容易做起來難，接下來咱們就簡單聊聊。
旅行者。圖源：NASA
太空中，怎麽找着 " 北 "？
先假想這樣一個實驗：在你家客廳裏，把窗簾拉得嚴嚴實實，做到真正伸手不見五指。接着，戴着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圈，總之就是随機運動一番，保證你徹底繞暈。這時再讓你說出自己的位置，并指出門口的方向，你還能做到嗎？要不怎麽說 " 徹底繞暈，找不着北 " 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 "，我們能立即指出門口方向麽？恐怕還是不行，因爲單憑這一個标記，還是無從知曉我們的方位。
現在主持人又拿出一枚熒光小球，說：" 你最喜歡坐的那個小沙發在這裏哦 "，這下，我們的導航技能就會立即激活，随手指出屋内每樣陳設的位置。用這兩盞小燈作爲參考，我們甚至可以倒退着走到門口去。這是因爲對于房間這種可以簡化成平面地圖的地方，有兩個明确參照物咱們就能确定自己的位置了。
那麽問題來了，在四下無着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？我要到哪兒去？航天器确定自己的位置時和我們在小黑屋差不多，隻是它身處茫茫三維空間定位更加困難，要想準确到達目的地，就要給它足夠多、足夠明确的參照物，供它判斷自己的位置、姿态和飛行方向。
凝望家的方向，才能奔向遠方
著名的旅行者 2 号探測器爲例，它配備有太陽傳感器和老人星跟蹤器，時刻掌握着太陽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 " 着前行，去探索太陽系和廣袤無垠的空間。
大家可能要問：爲什麽要跟蹤第二亮星呢？爲什麽不選排名第一的天狼星？因爲天狼星離黃道太近，光路容易受太陽方向的眩光幹擾。老人星和太陽分得夠開，所以是個理想的方位參照。
在研制旅行者的時代，每段程序、每份内存都很寶貴，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，傳回地球确認：" 嗯，就是它，一直盯着吧。"
思路缜密的讀者這裏會喊停：等一下！你說旅行者把亮度數據發回地球确認？可是既然跟蹤器裏出現的還不一定是老人星，那麽探測器的天線也未必指向地球，你怎麽保證地球能收到數據？
科學家的思路也很缜密，他們讓旅行者在任務開頭 80 天内，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。
而在内存不值錢的今天，人們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 , 由于亮星位置很随機，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 号，它真丢過……
那麽，如果航天器飛着飛着，突然搞不清自己在哪兒了會怎麽樣？一種可能就是它們偏離軌道，漸行漸遠直到丢失，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 号就險些 " 走丢 "。7 月 21 日，美國航天局朝旅行者 2 号發了一些指令，但裏面有個 bug，使它原本一直指向地球的天線偏轉了 2 °。2 ° 是什麽概念呢？
你平舉胳膊一陣子，累了胳膊肯定會晃，以肩膀爲軸，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厘米，這是因爲成年人的胳膊不過半米多長，然而旅行者 2 号已經飛到 200 億千米以外，這小小 2 ° 的角度偏差，會使它的信号波束中心偏離地球 7 億千米——要知道地球距離太陽才隻有 1.5 億千米呢！所謂 " 失之毫厘謬之千裏 "，這句話用在宇宙簡直太合适了，結果旅行者 2 号就此失聯。
地球上的科學家一邊猛拍大腿懊悔不已，一邊嘗試着把它找回來。8 月 1 日，他們發現和旅行者聯絡的深空探測網還能嗅到一絲 " 我還活着 " 的載波信号。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，沖着旅行者 2 号的方向 " 大吼一聲 "：" 你倒是把頭轉過來啊 ~"
位于堪培拉的深空探測網天線。圖源：NASA
雖然旅行者 2 号發出的信号偏離地球，但地球不會弄錯它的位置，這聲大吼不偏不倚地擊中了它。盡管它歪着腦袋，還是聽到了，在發出指令 37 個小時後，地球重新收到了旅行者 2 号的正常信号，人們真把它找回來了。
假如這聲呼喊沒起作用，旅行者 2 号會不會永遠丢失呢？其實尋回的可能性還是相當大，因爲每隔一段時間，它就會自我修正一下姿态，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日子，不過，它還是最好别丢……
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态也很重要，假設一顆用來拍攝地球表面的衛星，都被翻了個底朝天還不知道，那一切可就白費了。好在随着科技進步，咱們不缺太空定位和姿态感知技術。
比如短期内航天器的航向、姿态或速度改變，可以使用陀螺儀和加速度計來檢測。陀螺儀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，蒙着眼也能知道車拐了幾個彎（陀螺儀），等了幾個燈（加速度計），事後還能帶着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态。就像我們在自己房間裏，即使不參考重力，一看眼前是天花闆，腳朝着牆，頭頂着另一堵牆，就明白自己是平躺着的了。了解自己的姿态之後，航天器就能指哪打哪地開展觀測。
例如：哈勃深場是對着大熊座内一片隻有 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
對于地球附近飛行的通信衛星、氣象衛星這些需要時刻面朝大地的航天器，它們每繞地球轉一圈，自身也要翻個跟鬥。除了通過跟蹤恒星、或使用陀螺儀獲取姿态以外，還有一些低成本的可靠辦法。比如紅外地平儀，通過将地球大氣層的紅外輻射與冰冷太空進行對比，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，判斷自身姿态，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：恒星分布在三維空間裏，而不是固定在一個球面上。就算是在球面上，随着航天器在太空飛速疾馳，恒星的位置怎麽可能不變呢？怎麽可以放到數據庫裏查閱呢？
這是因爲恒星都太遠了，就連離我們最近的比鄰星都有 4.22 光年之遙。旅行者 2 号奮力飛了 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半徑兩米的圈子中心，讓我們花 46 年平移一毫米，問我們感覺到什麽變化沒有。在航天器眼裏，除了太陽以外，恒星位置幾乎都沒動過。
但假如我們的航天器萬壽無疆，或者我們幹脆來個 " 流浪地球 "，一直飛下去、看下去，随着星際間的穿行，我們眼中的恒星位置就會逐漸改變，平時熟悉的星座也會紛紛走樣，現有的姿态感知方法就失效了。
當然，有兩個解決方法。一是改用更加遙遠的星系作參考，它們距離我們動辄幾千萬光年，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，參考恒星的方位會怎樣變化。爲了做到這一點，我們就得把恒星距離測得非常準确才行。
總結
航天器知道自己的位置和姿态很重要，這需要參照物，而最常用的參照物就是恒星。随着人類向着星辰大海不斷進發，咱們的星圖一定會越來越精确，越來越龐大，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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