如何一招治好“宇宙級(jí)路癡”？科學(xué)家想出了這個(gè)辦法……

你是誰？旅行者……

你在哪兒？外邊兒……

你要往哪兒去？去遠(yuǎn)方……

面對(duì)靈魂三問，給出這幾個(gè)答案的要是個(gè)人，那沒什么大不了，誰還沒個(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(dāng)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，這說起來容易做起來難，接下來咱們就簡(jiǎn)單聊聊。

旅行者。圖源：NASA

太空中，怎么找著“北”？

先假想這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在你家客廳里，把窗簾拉得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，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，在屋里左幾步右?guī)撞皆俎D(zhuǎn)幾個(gè)圈，總之就是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)一番，保證你徹底繞暈。這時(shí)再讓你說出自己的位置，并指出門口的方向，你還能做到嗎？要不怎么說“徹底繞暈，找不著北”了呢。

這時(shí)只見主持人把一枚光線非常微弱，只能照亮一點(diǎn)點(diǎn)區(qū)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么？恐怕還是不行，因?yàn)閱螒{這一個(gè)標(biāo)記，還是無從知曉我們的方位。

現(xiàn)在主持人又拿出一枚熒光小球，說：“你最喜歡坐的那個(gè)小沙發(fā)在這里哦”，這下，我們的導(dǎo)航技能就會(huì)立即激活，隨手指出屋內(nèi)每樣陳設(shè)的位置。用這兩盞小燈作為參考，我們甚至可以倒退著走到門口去。這是因?yàn)閷?duì)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。

那么問題來了，在四下無著的太空中穿行的探測(cè)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？航天器確定自己的位置時(shí)和我們?cè)谛『谖莶畈欢?，只是它身處茫茫三維空間定位更加困難，要想準(zhǔn)確到達(dá)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(yuǎn)方

著名的旅行者2號(hào)探測(cè)器為例，它配備有太陽傳感器和老人星跟蹤器，時(shí)刻掌握著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”著前行，去探索太陽系和廣袤無垠的空間。

大家可能要問：為什么要跟蹤第二亮星呢？為什么不選排名第一的天狼星？因?yàn)樘炖切请x黃道太近，光路容易受太陽方向的眩光干擾。老人星和太陽分得夠開，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(nèi)存都很寶貴，它判斷“現(xiàn)在跟蹤器里出現(xiàn)的是老人星”的方法還很原始，就是測(cè)量恒星亮度，傳回地球確認(rèn)：“嗯，就是它，一直盯著吧?！?/p>

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

科學(xué)家的思路也很縝密，他們讓旅行者在任務(wù)開頭80天內(nèi)，不用定向發(fā)射的高增益天線，而用波束發(fā)散的低增益天線跟地球聯(lián)絡(luò)。這時(shí)探測(cè)器還沒飛遠(yuǎn)，所以即使它不完全正對(duì)地球，雙方交流也沒有問題。

而在內(nèi)存不值錢的今天，人們則是把許多亮星的光譜數(shù)據(jù)存到探測(cè)器里，讓它根據(jù)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(shù)據(jù)庫, 由于亮星位置很隨機(jī)，因此每份距離數(shù)據(jù)都獨(dú)一無二，非常可靠。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(cè)測(cè)光譜、或另找一顆星對(duì)照一下，就能辨認(rèn)出誰是天狼星、誰是參宿四。

旅行者2號(hào)，它真丟過……

那么，如果航天器飛著飛著，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(yuǎn)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(cè)器旅行者2號(hào)就險(xiǎn)些“走丟”。7月21日，美國航天局朝旅行者2號(hào)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偏轉(zhuǎn)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?yàn)檩S，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區(qū)區(qū)一兩厘米，這是因?yàn)槌赡耆说母觳膊贿^半米多長(zhǎng)，然而旅行者2號(hào)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(hào)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“失之毫厘謬之千里”，這句話用在宇宙簡(jiǎn)直太合適了，結(jié)果旅行者2號(hào)就此失聯(lián)。

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

位于堪培拉的深空探測(cè)網(wǎng)天線。圖源：NASA

雖然旅行者2號(hào)發(fā)出的信號(hào)偏離地球，但地球不會(huì)弄錯(cuò)它的位置，這聲大吼不偏不倚地?fù)糁辛怂?。盡管它歪著腦袋，還是聽到了，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(hào)的正常信號(hào)，人們真把它找回來了。

假如這聲呼喊沒起作用，旅行者2號(hào)會(huì)不會(huì)永遠(yuǎn)丟失呢？其實(shí)尋回的可能性還是相當(dāng)大，因?yàn)槊扛粢欢螘r(shí)間，它就會(huì)自我修正一下姿態(tài)，把天線重新對(duì)準(zhǔn)地球。剛過去的10月15日，就是計(jì)劃中的這樣一個(gè)日子，不過，它還是最好別丟……

精細(xì)調(diào)整不可少

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

比如短期內(nèi)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(jì)來檢測(cè)。陀螺儀運(yùn)用角動(dòng)量守恒原理來感知方向的變化，加速度計(jì)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，蒙著眼也能知道車拐了幾個(gè)彎（陀螺儀），等了幾個(gè)燈（加速度計(jì)），事后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，也能讓航天器知道自己目前的姿態(tài)。就像我們?cè)谧约悍块g里，即使不參考重力，一看眼前是天花板，腳朝著墻，頭頂著另一堵墻，就明白自己是平躺著的了。了解自己的姿態(tài)之后，航天器就能指哪打哪地開展觀測(cè)。

例如：哈勃深場(chǎng)是對(duì)著大熊座內(nèi)一片只有2.6角分的天區(qū)拍攝342張圖像之后合成的，開普勒望遠(yuǎn)鏡則把視線鎖定在天鵝座和天琴座之間。

開普勒望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)區(qū)域。圖源NASA

對(duì)于地球附近飛行的通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星這些需要時(shí)刻面朝大地的航天器，它們每繞地球轉(zhuǎn)一圈，自身也要翻個(gè)跟斗。除了通過跟蹤恒星、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，通過將地球大氣層的紅外輻射與冰冷太空進(jìn)行對(duì)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(cè)紅外輻射的陡升陡降來獲取大地輪廓，判斷自身姿態(tài)，衛(wèi)星正飛越西安上空。作者制作示意圖

大家可能對(duì)恒星跟蹤還有疑問：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(shù)據(jù)庫里查閱呢？

這是因?yàn)楹阈嵌继h(yuǎn)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(hào)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，問我們感覺到什么變化沒有。在航天器眼里，除了太陽以外，恒星位置幾乎都沒動(dòng)過。

但假如我們的航天器萬壽無疆，或者我們干脆來個(gè)“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(xiàn)有的姿態(tài)感知方法就失效了。

當(dāng)然，有兩個(gè)解決方法。一是改用更加遙遠(yuǎn)的星系作參考，它們距離我們動(dòng)輒幾千萬光年，尺度更大，所以更加穩(wěn)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(jì)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(cè)得非常準(zhǔn)確才行。

總結(jié)

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。隨著人類向著星辰大海不斷進(jìn)發(fā)，咱們的星圖一定會(huì)越來越精確，越來越龐大，幫助更多的航天器飛向遠(yuǎn)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(zé)編丨白莉