你是谁？旅行者……你在哪儿？外边儿……你要往哪儿去？去远方……面对灵魂三问，给出这几个答案的要是个人，那没什么大不了，谁还没个迷茫叛逆期？可这么答题的要是个航天器……地面上的科学家们可就得当场抓狂了。要想探索星辰大海，时刻都能搞清楚自己的位置，实在是个基本课题，然而，这说起来容易做起来难，接下来咱们就简单聊聊。
旅行者。图源：NASA
太空中，怎么找着“北”？
先假想这样一个实验：在你家客厅里，把窗帘拉得严严实实，做到真正伸手不见五指。接着，戴着夜视镜的主持人拉住你的手，在屋里左几步右几步再转几个圈，总之就是随机运动一番，保证你彻底绕晕。这时再让你说出自己的位置，并指出门口的方向，你还能做到吗？要不怎么说“彻底绕晕，找不着北”了呢。
这时只见主持人把一枚光线非常微弱，只能照亮一点点区域的荧光小球放在桌上，说：“这是你的餐桌”，我们能立即指出门口方向么？恐怕还是不行，因为单凭这一个标记，还是无从知晓我们的方位。
现在主持人又拿出一枚荧光小球，说：“你最喜欢坐的那个小沙发在这里哦”，这下，我们的导航技能就会立即激活，随手指出屋内每样陈设的位置。用这两盏小灯作为参考，我们甚至可以倒退着走到门口去。这是因为对于房间这种可以简化成平面地图的地方，有两个明确参照物咱们就能确定自己的位置了。
那么问题来了，在四下无着的太空中穿行的探测器，如何知道自己的位置和朝向呢——我是谁？我在哪儿？我要到哪儿去？航天器确定自己的位置时和我们在小黑屋差不多，只是它身处茫茫三维空间定位更加困难，要想准确到达目的地，就要给它足够多、足够明确的参照物，供它判断自己的位置、姿态和飞行方向。
凝望家的方向，才能奔向远方
著名的旅行者2号探测器为例，它配备有太阳传感器和老人星跟踪器，时刻掌握着太阳和全天第二亮星老人星的方位。有这两颗星作参考，旅行者就能“一路倒退”着前行，去探索太阳系和广袤无垠的空间。
大家可能要问：为什么要跟踪第二亮星呢？为什么不选排名第一的天狼星？因为天狼星离黄道太近，光路容易受太阳方向的眩光干扰。老人星和太阳分得够开，所以是个理想的方位参照。
在研制旅行者的时代，每段程序、每份内存都很宝贵，它判断“现在跟踪器里出现的是老人星”的方法还很原始，就是测量恒星亮度，传回地球确认：“嗯，就是它，一直盯着吧。”
思路缜密的读者这里会喊停：等一下！你说旅行者把亮度数据发回地球确认？可是既然跟踪器里出现的还不一定是老人星，那么探测器的天线也未必指向地球，你怎么保证地球能收到数据？
科学家的思路也很缜密，他们让旅行者在任务开头80天内，不用定向发射的高增益天线，而用波束发散的低增益天线跟地球联络。这时探测器还没飞远，所以即使它不完全正对地球，双方交流也没有问题。
而在内存不值钱的今天，人们则是把许多亮星的光谱数据存到探测器里，让它根据亮度和光谱自己做出判断。
有些恒星跟踪器制造商甚至把亮星们两两之间的角距离放入数据库,由于亮星位置很随机，因此每份距离数据都独一无二，非常可靠。例如跟踪器看到两颗亮星间隔27.1045°，到库里一查，立刻就能判断这是天狼星和参宿四，迅速锁定双方身份之后，再测测光谱、或另找一颗星对照一下，就能辨认出谁是天狼星、谁是参宿四。
旅行者2号，它真丢过……
那么，如果航天器飞着飞着，突然搞不清自己在哪儿了会怎么样？一种可能就是它们偏离轨道，渐行渐远直到丢失，而有些航天器则可以抢救一下。
比如前不久，在太空中飞行了46年的传奇探测器旅行者2号就险些“走丢”。7月21日，美国航天局朝旅行者2号发了一些指令，但里面有个bug，使它原本一直指向地球的天线偏转了2°。2°是什么概念呢？
你平举胳膊一阵子，累了胳膊肯定会晃，以肩膀为轴，胳膊上下偏移的角度就有1°~2°了，这时指尖偏移的幅度不过区区一两厘米，这是因为成年人的胳膊不过半米多长，然而旅行者2号已经飞到200亿千米以外，这小小2°的角度偏差，会使它的信号波束中心偏离地球7亿千米——要知道地球距离太阳才只有1.5亿千米呢！所谓“失之毫厘谬之千里”，这句话用在宇宙简直太合适了，结果旅行者2号就此失联。
地球上的科学家一边猛拍大腿懊悔不已，一边尝试着把它找回来。8月1日，他们发现和旅行者联络的深空探测网还能嗅到一丝“我还活着”的载波信号。8月3日，科学家使用深空探测网在堪培拉的100千瓦S波段上行链路，冲着旅行者2号的方向“大吼一声”：“你倒是把头转过来啊~”
位于堪培拉的深空探测网天线。图源：NASA
虽然旅行者2号发出的信号偏离地球，但地球不会弄错它的位置，这声大吼不偏不倚地击中了它。尽管它歪着脑袋，还是听到了，在发出指令37个小时后，地球重新收到了旅行者2号的正常信号，人们真把它找回来了。
假如这声呼喊没起作用，旅行者2号会不会永远丢失呢？其实寻回的可能性还是相当大，因为每隔一段时间，它就会自我修正一下姿态，把天线重新对准地球。刚过去的10月15日，就是计划中的这样一个日子，不过，它还是最好别丢……
精细调整不可少
航天器知道自己在哪里很重要，知道且能调整自己的姿态也很重要，假设一颗用来拍摄地球表面的卫星，都被翻了个底朝天还不知道，那一切可就白费了。好在随着科技进步，咱们不缺太空定位和姿态感知技术。
比如短期内航天器的航向、姿态或速度改变，可以使用陀螺仪和加速度计来检测。陀螺仪运用角动量守恒原理来感知方向的变化，加速度计则感知速度的变化。就像电影里被劫匪绑架的天才少年一样，蒙着眼也能知道车拐了几个弯（陀螺仪），等了几个灯（加速度计），事后还能带着警察径直摸到劫匪的老巢。
而前文提到很多次的恒星方位，除了能让航天器知道自己在哪儿，也能让航天器知道自己目前的姿态。就像我们在自己房间里，即使不参考重力，一看眼前是天花板，脚朝着墙，头顶着另一堵墙，就明白自己是平躺着的了。了解自己的姿态之后，航天器就能指哪打哪地开展观测。
例如：哈勃深场是对着大熊座内一片只有2.6角分的天区拍摄342张图像之后合成的，开普勒望远镜则把视线锁定在天鹅座和天琴座之间。
开普勒望远镜的观测区域。图源NASA
对于地球附近飞行的通信卫星、气象卫星这些需要时刻面朝大地的航天器，它们每绕地球转一圈，自身也要翻个跟斗。除了通过跟踪恒星、或使用陀螺仪获取姿态以外，还有一些低成本的可靠办法。比如红外地平仪，通过将地球大气层的红外辐射与冰冷太空进行对比，就能迅速感知地球的圆形轮廓，圆心就是航天器正下方的大地。
红外地平仪通过观测红外辐射的陡升陡降来获取大地轮廓，判断自身姿态，卫星正飞越西安上空。作者制作示意图
大家可能对恒星跟踪还有疑问：恒星分布在三维空间里，而不是固定在一个球面上。就算是在球面上，随着航天器在太空飞速疾驰，恒星的位置怎么可能不变呢？怎么可以放到数据库里查阅呢？
这是因为恒星都太远了，就连离我们最近的比邻星都有4.22光年之遥。旅行者2号奋力飞了46年，刚刚飞到比邻星距离的2000分之一！这就像把我们放到一个半径两米的圈子中心，让我们花46年平移一毫米，问我们感觉到什么变化没有。在航天器眼里，除了太阳以外，恒星位置几乎都没动过。
但假如我们的航天器万寿无疆，或者我们干脆来个“流浪地球”，一直飞下去、看下去，随着星际间的穿行，我们眼中的恒星位置就会逐渐改变，平时熟悉的星座也会纷纷走样，现有的姿态感知方法就失效了。
当然，有两个解决方法。一是改用更加遥远的星系作参考，它们距离我们动辄几千万光年，尺度更大，所以更加稳定。二是使用恒星的更多信息，不但有方位，还有距离、自行速度等，这样航天器就可以自己计算飞到哪儿时，参考恒星的方位会怎样变化。为了做到这一点，我们就得把恒星距离测得非常准确才行。
总结
航天器知道自己的位置和姿态很重要，这需要参照物，而最常用的参照物就是恒星。随着人类向着星辰大海不断进发，咱们的星图一定会越来越精确，越来越庞大，帮助更多的航天器飞向远方。
作者丨曲炯 科普创作者
审核丨刘勇 中国科学院国家空间科学中心研究员
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