你是誰？旅行者……你在哪裡？外邊兒……你要往哪裡去？去遠方……面對靈魂三問，給出這幾個答案的要是個人，那沒什麼大不了，誰還沒個迷茫叛逆期？但這麼答題的要是個太空船……地面上的科學家們可就得當場抓狂了。

要探索星辰大海，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，怎麼找著「北」？

先假想這樣一個實驗：在你家客廳裡，把窗簾拉得嚴嚴實實，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，在屋裡左幾步右幾步再轉幾個圈，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？要不怎麼說「徹底繞暈，找不著北」了呢。

這時只見主持人把一枚光線非常微弱，只能照亮一點點區域的螢光小球放在桌上，說：“這是你的餐桌”，我們能立即指出門口方向麼？恐怕還是不行，因為單憑這一個標記，還是無從得知我們的方位。

現在主持人又拿出一枚螢光小球，說：“你最喜歡坐的那個小沙發在這裡哦”，這下，我們的導航技能就會立即激活，隨手指出屋內每樣陳設的位置。

用這兩盞小燈作為參考，我們甚至可以倒退走到門口去。這是因為對於房間這種可以簡化成平面地圖的地方，有兩個明確參照物咱們就能確定自己的位置了。

那麼問題來了，在四下無著的太空中穿梭的探測器，如何知道自己的位置和朝向——我是誰？我在哪裡？我要到哪裡去？

太空船確定自己的位置時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、姿態和飛行方向。

凝望家的方向，才能奔向遠方

著名的旅客2號探測器為例，它配備有太陽感測器和老人星追蹤器，隨時掌握著太陽和全天第二亮星老人星的方位。有這兩顆星為參考，旅行者就能「一路倒退」著前行，去探索太陽系和廣袤無垠的空間。

大家可能要問：為什麼要跟蹤第二亮星？為什麼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。

在發展旅行者的時代，每段程式、每份記憶體都很寶貴，它判斷「現在追蹤器裡出現的是老人星」的方法還很原始，就是測量恆星亮度，傳回地球確認：「嗯，就是它，一直盯著吧。”

思路縝密的讀者這裡會喊停：等一下！你說旅行者把亮度資料發回地球確認？但既然追蹤器裡出現的還不一定是老人星，那麼探測器的天線也未必指向地球，你怎麼保證地球能收到數據？

科學家的想法也很縝密，讓旅行者在任務開頭80天內，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，雙方交流也沒問題。

而在記憶體不值錢的今天，人們則是把許多亮星的光譜資料存到探測器裡，讓它根據亮度和光譜自己做出判斷。

有些恆星追蹤器製造商甚至把亮星們兩兩之間的角距離放入資料庫, 由於亮星位置很隨機，因此每份距離資料都獨一無二，非常可靠。

例如追蹤器看到兩顆亮星間隔27.1045°，到庫裡一查，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，它真丟過…

那麼，如果太空船飛著飛著，突然搞不清自己在哪裡了會怎麼樣？一種可能是它們偏離軌道，漸行漸遠直到丟失，而有些航天器則可以搶救一下。

例如前不久，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，美國太空總署朝旅行者2號發了一些指令，但裡面有個bug，使它原本一直指向地球的天線偏轉了2​​°。2°是什麼概念呢？

你平舉手臂一陣子，累了手臂一定會晃，以肩膀為軸，手臂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，這是因為成年人的手臂不過半米多長。

然而旅行者2號已經飛到200億千米以外，這小小2°的角度偏差，會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才只有1.5億千米呢！所謂“失之毫釐謬之千里”，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，一邊試著把它找回來。

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「我還活著」的載波訊號。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，衝著旅行者2號的方向“大吼一聲”： “你倒是把頭轉過來啊~”

位於坎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，但地球不會弄錯它的位置，這聲大喊大叫不偏不倚地擊中了它。儘管它歪著腦袋，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號的正常信號，人們真把它找回來了。

假如這聲呼喊沒起作用，旅行者2號會不會永遠失去呢？其實尋回的可能性還是相當大，因為每隔一段時間，它就會自我修正姿態，把天線重新對準地球。剛過去的10月15日，就是計畫中的這樣一個日子，不過，它還是最好別丟…

精細調整必不可少

太空船知道自己在哪裡很重要，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面的衛星，都被翻了個底朝天還不知道，那一切可就白費了。還好隨著科技進步，咱們不缺太空定位和姿態感知技術。

例如短期內太空船的航向、姿態或速度改變，可以使用陀螺儀和加速度計來偵測。陀螺儀運用角動量守恆原理來感知方向的變化，加速度計則感知速度的變化。

就像電影裡被劫匪綁架的天才少年一樣，蒙著眼也能知道車子拐了幾個彎（陀螺儀），等了幾盞燈（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恆星方位，除了能讓太空船知道自己在哪裡，也能讓太空船知道自己目前的姿態。

就像我們在自己房間裡，即使不參考重力，一看眼前是天花板，腳朝牆，頭頂著另一面牆，就明白自己是平躺著的了。了解自己的姿態之後，太空船就能指哪打哪地進行觀測。

例如：哈伯深場是對著大熊座內一片只有2.6角分的天區拍攝342張影像之後合成的，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

對於地球附近飛行的通訊衛星、氣象衛星這些需要時時面朝大地的太空船，它們每繞地球轉一圈，自身也要翻個跟斗。

除了透過追蹤恆星、或使用陀螺儀來獲取姿態以外，還有一些低成本的可靠方法。例如紅外線地平儀，透過將地球大氣層的紅外線輻射與冰冷太空進行對比，就能迅速感知地球的圓形輪廓，圓心就是太空船正下方的大地。

紅外線地平儀透過觀測紅外線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

大家可能對恆星追蹤還有疑問：恆星分佈在三維空間裡，而不是固定在一個球面上。就算在球面上，隨著太空船在太空飛速疾馳，恆星的位置怎麼可能不變？怎麼可以放到資料庫裡查閱呢？

這是因為恆星都太遠了，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公尺的圈子中心，讓我們花46年平移一毫米，問我們感覺到什麼變化沒有。在太空船眼裡，除了太陽以外，恆星位置幾乎都沒動過。

但假如我們的太空船萬壽無疆，或者我們乾脆來個“流浪地球”，一直飛下去、看下去，隨著星際間的穿行，我們眼中的恆星位置就會逐漸改變，平時熟悉的星座也會紛紛走樣，現有的姿態感知方法就失效了。

當然，有兩個解決方法。一是改用更遙遠的星係作參考，它們距離我們動輒幾千萬光年，尺度更大，所以更穩定。

二是使用恆星的更多信息，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裡時，參考恆星的方位會怎樣變化。為了做到這一點，我們就得把恆星距離測得非常準確。

總結

太空船知道自己的位置和姿態很重要，這需要參照物，而最常用的參考物就是恆星。隨著人類向著星辰大海不斷進發，咱們的星圖一定會越來越精確，越來越龐大，幫助更多的太空船飛向遠方。

企劃製作

作者丨曲炯科普創作者

審核丨劉勇中國科學院國家太空科學中心研究員

策劃丨丁崝

責編丨白莉