【物理航天】宇宙飞船怎么确定在宇宙中的位置，它是如何导航的？

在我们学会正确的在海洋中航行之前，早期的探险者害怕看不见陆地，因为会迷失方向，他们学会利用水流、风、鸟类的运动，当然还有太阳、月亮和星星的位置，找到他们穿越海洋到达遥远的地方。同样当我们学会将航天器发射到轨道和太阳系外，任务规划者需要开发全新的导航方法，接下来将讨论太空导航的工作原理。

登月任务是如何精确地找到它们的方向的，现在又是怎么做的？对于太空导航的未来，有哪些聪明的想法？

在进入太空导航之前，我们先来谈一谈地球上的常规导航。你的手机导航系统无非是全球定位GPS，这是一个环绕地球的卫星系统，轨道高度约为20000公里。你的手机能连接到卫星广播的位置和当前时间，通过这些信号，你的手机可以计算出你目前在地球上的位置。

在GPS出现之前，导航要困难的多，几个世纪以来主要的方法是用星星作为向导天体来导航。想象一下，太空中的地球在它周围有很多其他的星球，在任何时刻都有一颗恒星从地球的任何上空部分飞过。如果地球没有转动，而你想去地球上的某个地方，你所要做的就是直走，直到那颗恒星在你的正上方。

当然地球在转，所以问题更加棘手，你需要知道确切的时间并且能测量到不同恒星的角度，你才能计算出你在地球上的位置。早期航行的水手们使用一种叫做六分仪的工具，它可以让你测量恒星和地平线之间的角度。对于你的南北航行或者纬度，你所需要做的就是测量北极星的角度，当北极星在正上方时你在北极，当北极在地平线上时你在赤道，你去南极的时候也有类似的情况。

但是要测量经度就是东西方向比较困难，当地球转动时，中午12点的情况，每时每刻都在地球上不同的地方，因为时区的不同。当然学习天文导航，并不是那么困难，而且一旦你学会了它，实际上是相当有趣的。如果你在没有GPS的情况下，被困你就有办法找到方向，现在海上驾驶你的船了。

接下来我们说一说太空的导航。飞船的导航主要在地面上进行，地球上的无线电接收器可以检测航天器的位置和速度，如果需要进入新的轨道，上传命令即可。但是一旦离开地球，事情就变得更加复杂。

为了阿波罗登月任务，NASA开发了阿波罗指导计算机，这是一台比现在台式电脑稍大的计算机。指令舱里有一个，登月舱里有一个。这次任务大部分导航都是在地球上的任务控制中心完成的，在地面一直在跟踪阿波罗飞船的位置和轨道，但是作为备份，宇航员会使用太空六分仪比较恒星的位置与地球和月球的地平线，确保从地球完成的导航计算是正确的。宇航员可以输入导航信息，比如恒星的位置，然后计算轨迹和操纵角度。令人惊讶的是那些飞往月球的宇航员使用的导航工具，与地球上的水手们几个世纪以来使用的导航工具的原理并无两样。即使在太空，也只是依靠几何而已。

但是如果想深入太阳系呢？为了正确的穿越太阳系，你需要知道宇宙飞船在哪里？你在哪里？有一个精确的太阳系地图，并且知道你的宇宙飞船要去哪里？

 NASA的航天器使用深空网络（DNS），这是一个巨大的无线电天线阵列定位系统，分布在世界各地，美国的加州、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉。有了这三个主要站点，NASA就可以与太阳系内任何探测器进行通讯。当地球自转时，一个天线的接收范围消失，则另一个天线仍能接收信号。

除了向航天器发送指令、检索数据和照片外，深空网络的天线还有助于导航，当信号到达探测器时，就会发生频率偏移，然后计算机就可以根据这个频率偏移以及信号返回轨道所需的时间，计算出飞船的速度和距离。通过将它的位置与太空中的恒星的静态地图进行比较，天文学家计算出它的位置和速度，他们做的测量越多，计算就越精确却。然后他们可以将这些测量结果与太阳系中所有天体的轨道地图进行比较，从而以惊人的精确度，得知宇宙飞船的位置。

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