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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
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