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。
策划制作
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
策划丨丁崝
责编丨白莉
