那么在太空中如何確定方向和方位呢？

東西南北是與地球相關(guān)的方向，但是在空間中沒(méi)有行星可以用于方向參照，如何才能在地球以外的地方找到方向呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，重要的是要認(rèn)識(shí)到方向是人類(lèi)約定俗成的，這樣的約定使我們的生活和溝通更方便，僅此而已。在宇宙中，這種方向的意義就變得聊聊了。

我們所熟悉的那些方向的來(lái)源

縱觀歷史，人類(lèi)繪制了無(wú)數(shù)的地圖，并且在上面標(biāo)記了方向。繪制這些地圖的人大多數(shù)人是以自我為中心（或“民族中心”）來(lái)定義所謂的方向的。在各種文化中，被繪圖者認(rèn)為是最重要的特征都放置在地圖的最顯著的部分。在日本的舊江戶時(shí)代地圖中可以看到一個(gè)例子，當(dāng)時(shí)的日本人將皇宮放在地圖的頂部或中央。在地圖上，皇宮就是地圖的中心，你必須把地圖舉起來(lái)放到頭頂，往上看才能正確閱讀這種地圖。由于宗教意義，許多中世紀(jì)的歐洲地圖都將東方（尤其是耶路撒冷）放在地圖的頂部。此外，某些文化將東方置于顯著的位置，只是因?yàn)槟鞘翘?yáng)升起的方向。而古代的沿海城市則經(jīng)常將海洋置于地圖的頂部,原因不明。

上圖：1570年的世界歷史地圖。

“北方在上”地圖的流行似乎源于歐洲生活的兩個(gè)方面。在11至14世紀(jì)之間，指南針的廣泛使用是造成地圖北方在上的原因之一。和中國(guó)人的“司南”不同的是，歐洲人的指南針則是“指北”的，因此將地圖相應(yīng)地調(diào)整為將北放在頂部符合這種設(shè)計(jì)。此外，在北半球，天空似乎圍繞北極星（北極星）旋轉(zhuǎn)，因此有助于地圖的使用——誰(shuí)讓歐洲人生活在北半球呢？

在太陽(yáng)系內(nèi)定位

當(dāng)宇宙飛船飛到很遠(yuǎn)的地方，遠(yuǎn)到地球不過(guò)是遠(yuǎn)處的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，我們就沒(méi)有辦法通過(guò)查看地球上大陸的分布來(lái)確定方向了。必須得有另一種方式。只要宇宙飛船還在太陽(yáng)系內(nèi)，鑒于我們對(duì)于太陽(yáng)系的了解程度，要對(duì)宇宙飛船定位還是比較容易的。在真空中，天體的運(yùn)動(dòng)軌跡的可預(yù)測(cè)性遠(yuǎn)比預(yù)測(cè)地球上的車(chē)輛在未來(lái)某一刻的位置要高得多。

宇宙飛船上的定位設(shè)備必須使用幾種不同的工具在廣闊的宇宙空間中找到自己的“北”。目前所有（無(wú)人駕駛）行星際飛行器都是由地球控制，因此以下所有定向定位措施均是在地面站中進(jìn)行的。

首先，科學(xué)家需要知道飛行器在哪里以及飛行速度如何。這就需要所謂“深空網(wǎng)絡(luò)”（DSN）——這是一個(gè)由至少四座碟形無(wú)線電天線終端構(gòu)成的地面站組成的網(wǎng)絡(luò)，這些地面站位于世界各地，因此它們具有完整的天空覆蓋范圍。飛行器的探測(cè)器接收和發(fā)送來(lái)自深空網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，雖然這些信號(hào)的頻率變化很小，但通過(guò)分析這些變化以及發(fā)射和接收之間的時(shí)間長(zhǎng)度，科學(xué)家能夠以驚人的精度計(jì)算出探頭的位置和速度。實(shí)際上，我們可以將探頭的視線速度測(cè)量到每秒0.05毫米以內(nèi)，并將其位置測(cè)量到精度3米以內(nèi)。這可能比您的汽車(chē)和GPS設(shè)備上的數(shù)據(jù)都更準(zhǔn)確。但要知道這里所談到的探測(cè)器通常距地球數(shù)千、數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億公里，這定位系統(tǒng)的精度真的是非常高了。

上圖：深空網(wǎng)絡(luò)的全球視野覆蓋。

每個(gè)地面站至少包括四個(gè)深空終端，配備超靈敏接收系統(tǒng)和大型拋物面天線，包括：

一根直徑34米（112英尺）的高效天線（HEF）

兩個(gè)或更多34米（112英尺）波束波導(dǎo)天線（BWG）

一根26米（85英尺）天線。

一根70米（230英尺）天線。

上圖：深空網(wǎng)絡(luò)輔助登月定向定位的示意圖。

上圖：深空網(wǎng)絡(luò)的碟形天線。

其次，我們需要配合使用太陽(yáng)系的精確模型來(lái)定位。各國(guó)的宇航項(xiàng)目一直使用行星的重力來(lái)輔助操縱航天器，重力輔助操縱是指我們利用天體（通常是行星或大型衛(wèi)星）的重力來(lái)改變航天器的軌跡和速度。另外，人類(lèi)目前所有的深空任務(wù)都是行星際的，這意味著探測(cè)器將前往太陽(yáng)系內(nèi)的某顆行星或行星附近的天體。如果我們不知道目標(biāo)在哪里，就無(wú)法向其發(fā)送探測(cè)器進(jìn)行研究。因此在發(fā)射探測(cè)器和宇航器之前，這些目標(biāo)和地球的位置就已經(jīng)被精確地進(jìn)行了計(jì)算和預(yù)測(cè)，這樣就有一個(gè)可以參考的框架來(lái)精確計(jì)算宇航器在飛行過(guò)程任何時(shí)刻的位置，而這種精度是相當(dāng)高的。

上圖：旅行者1號(hào)，2號(hào)利用重力加速飛出太陽(yáng)系再次，加上對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)的計(jì)劃和安排，科學(xué)家們可以對(duì)宇航器的未來(lái)的軌道以及位置進(jìn)行非常準(zhǔn)確的估算，也就是說(shuō)，如果不出意外，宇航器未來(lái)的軌跡、位置和方向都是在預(yù)估的模型之內(nèi)。星際導(dǎo)航定位

在太陽(yáng)系中飛行時(shí)，我們所有的宇航器都依據(jù)太陽(yáng)系內(nèi)的天體的相對(duì)關(guān)系來(lái)定位和定向，但是當(dāng)我們的太陽(yáng)系在空間的黑暗中遠(yuǎn)到變成一個(gè)點(diǎn)時(shí)，如果我們?nèi)匀恍枰篮教炱鞯奈恢煤退俣龋衷撛趺崔k呢？

在這種情況下，我們可能會(huì)使用類(lèi)似于用于旅行者2號(hào)的深空導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)確定其位置以及運(yùn)行的速度。這套系統(tǒng)仍然需要一個(gè)精確的太陽(yáng)系模型（至少在開(kāi)頭階段），之后還需要一個(gè)系外恒星運(yùn)動(dòng)的模型以及一個(gè)目標(biāo)星系的精確模型（如果有這個(gè)目標(biāo)的話）。利用當(dāng)今的技術(shù)，這些都是可以實(shí)現(xiàn)的。

宇宙中的一些具有可識(shí)別特征的穩(wěn)定天體也可以用作定向的參考，例如脈沖星。強(qiáng)磁化和快速旋轉(zhuǎn)的中子星（稱(chēng)為脈沖星）的特征性時(shí)標(biāo)可用作自然導(dǎo)航的信標(biāo)，以確定航天器的位置和速度。

上圖：利用脈沖星來(lái)導(dǎo)航的藝術(shù)想象圖。

此外，從地球或者從我們的太陽(yáng)系中看到的天空，我們可以得到一張非常準(zhǔn)確的天球星圖。然后，我們可以從這張星圖來(lái)估算在不同的距離之外看到天空的樣子，但這還需要一張非常精確的恒星實(shí)際位置圖，實(shí)際上，天文學(xué)家對(duì)銀河系中恒星的位置已經(jīng)非常了解，尤其是離我們很近的恒星的位置，但這些數(shù)據(jù)都是通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)和分析得來(lái)，仍然存在一些影響未來(lái)系外導(dǎo)航的不確定性。因此我們必須對(duì)星空進(jìn)行更準(zhǔn)確地測(cè)量，而人類(lèi)的第一個(gè)星際任務(wù)就可能是要負(fù)責(zé)分析天空并繪制星圖。

上圖：銀河系的三維地圖。

總結(jié)

目前，我們常說(shuō)的方向?qū)嶋H上都是以地球?yàn)閰⒄沾_定。在太陽(yáng)系內(nèi)定向并不困難，因?yàn)檎麄€(gè)太陽(yáng)系都可以用作參照。但要在太陽(yáng)系外的浩瀚宇宙空間中定位就需要參考脈沖星和其它恒星了。