|
/ r1 ]0 S. w+ O1 M/ w8 k 你是谁？旅行者…… 0 v$ L( g8 v/ g' A. _
你在哪儿？外边儿…… . _) @) W$ `. g8 z" W
你要往哪儿去？去远方……
$ Z; _. X' i: |: N 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。
* k$ n! G9 C: h
7 N3 m+ g1 s4 W# \$ d7 d
. I5 v( B& W1 ]8 {4 T 旅行者。图源：NASA
9 M$ U" P5 ^6 s1 t3 S. k, |6 x
& {( n. ?; M( H7 b0 E: k 太空中，怎么找着“北”？
+ o( d! p5 r8 o: L 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。
9 H. V! d, c( q 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。
$ d5 [7 u* @" g6 b* u0 A; K: Y 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。
6 o; h. O3 ]* @% O5 n% R. A8 _7 l 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。
0 z/ N& D& h7 ]; c3 k 凝望家的方向，才能奔向远方
6 Y. h5 `3 R$ O 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。 6 z4 x# c$ Z5 W5 f1 `- m
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。 5 m4 R# ]2 D. m! z
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。” : b! W' g6 t( i; `3 X
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？
( Y# V- G1 | S ]) V' W3 } 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。
+ Y. H: R6 N2 i5 W/ } 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。
/ d/ L1 t' C( A7 A+ l& r 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。
* M/ Y; a# X' |. `" { 旅行者2号，它真丢过…… ) `% v3 }6 |+ w" n( d+ S5 ^& I
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。
9 x& M" I( q- J: d 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？
( b3 B- b7 g' v/ W. F. M$ I! O1 D$ @ 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。
$ R3 N. g( a. x$ ]/ i 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~” ' A. i1 t% X$ P! Q
. z9 m* B5 A9 Q3 ? S 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。
! \7 M. \7 u* J; T# k1 f, } 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…… ! A4 w+ U& F. ~# y2 c' h3 i9 g
精细调整不可少 * e3 ]4 \# C; g* J5 w, r: U7 @5 e) H' t
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。 % M) E9 d2 D/ n3 Q
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。 ( S6 _/ H8 A; V5 i, e! A
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。
9 y) A) X* S1 v 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。 8 w+ C$ t! _% c" ~% Q
# H! ~: x8 ^% K. n( N. F 1 ~$ W0 E1 ?7 j2 ^
开普勒望远镜的观测区域。图源NASA * v j- [/ K w, c* i3 ~# n- t/ T# L
" [9 ^$ l" o" g7 i7 Z a 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。
& r& H# D9 u( D ; \& l& P, o" ?, n1 f: a; W) j+ v
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？ : M: K) ^6 A- v* ]8 C- p) @# @
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。 8 G% p5 S- c; k
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。 : @* o2 s3 `4 D# m
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。 5 l1 S8 b$ b3 J. Q, f( n" {
总结 * y' y8 o7 b" S: D6 {- h
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。
/ |. f$ W2 F+ N6 j# C
0 ~7 i5 t) q6 n" g$ _! X+ F3 O; p& C% I" {, f
. O4 Y/ S- f( U1 m
* U9 A( W4 W1 D6 Z. |8 p | 
