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• 1、相隔48亿公里，科学家是怎么控制新视野号的
• 2、脱离地球在太空中航行，没有东西南北的方向概念，那么在太空中如何确定方向和方位呢

1、相隔48亿公里，科学家是怎么控制新视野号的

2000多年前，屈原就在《天问》中提出了对宇宙的疑问。人类探索宇宙的脚步从未停息，近现代以来，人类向宇宙空间发射了很多探测器，它们在苍茫的宇宙中前行，为人类探索宇宙的奥秘立下汗马功劳。人类已知的太阳系最边缘的小弟冥王星由于距离地球太遥远，人类对它的认知有限，为此，美国国家航空航天局（NASA）于2006年1月19日发射了专门探索冥王星的空间探测器，这就是新视野号（New Horizons),其主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎（冥卫一）和探测位于柯伊柏带的小行星群。新视野号是人类发射过起始速度最快的太空探测器，它已经于北京时间2015年7月14日19时49分飞掠冥王星，行程48亿公里。目前，正飞往潜伏在太阳系边缘的柯伊伯带里的其它天体。48亿公里，这是一个多么遥远的距离。地月之间的距离是38万公里，新视野号与地球的距离，相当于12631个地月距离。如此遥远，人类又是怎样控制新视野号的呢？要控制新视野号，基本前提就是要与之建立通讯联系。那么，地球和新视野号之间的通讯是怎样的模式呢？地球和新视野号的通讯仍然是无线电波，不过，如此遥远的距离，即使无线电波的传播速度达到每秒30万公里，48亿公里的距离下，无论是地球向新视野号发出信号，还是新视野号向地球发回信号，都需要约5个小时。通常，如此超长距离的通信，无线电信号会出现衰减，从而使地球发出的信号或者新视野号发回的信号到达对方时会变得十分微弱，以至于无法接收。为此，新视野号上装有抛物面状的无线电天线，当与地球通信时，它会指向地球。同时，美国国家航空航天局的深空网络无线电发射机也会对准新视野号，它们集中能量向彼此发出信号，尽最大可能来减少无线电波的衰减。另外，宇宙空间充满着各种电磁波，复杂的电磁环境就如同人站在农贸市场里一样，周围都是嘈杂的噪声。电磁波的干扰也会影响地球和新视野号之间的通信质量。为了克服宇宙电磁环境对信号的影响，新视野号在通信过程中使用了扩频技术，就是将原来的通信信号变成频道较宽的新信号，在信号功率远低于噪声功率的情况下，宽展传输信号的频谱就能大大提升传输信号的质量。地球和新视野号彼此之间建立了有效的联系，我们就可以向新视野号发出各种指令，新视野号接收到这些指令后就执行相应的动作。不过48亿公里的遥远距离，我们早上告诉新视野号新的指令，到下午，它才能收到我们的指令。新视野号经历千辛万苦，向地球发回了6.25G数据，这些数据为人类了解和探索冥王星提供了宝贵的科学依据。辛苦了！新视野号。

2、脱离地球在太空中航行，没有东西南北的方向概念，那么在太空中如何确定方向和方位呢

东西南北是与地球相关的方向，但是在空间中没有行星可以用于方向参照，如何才能在地球以外的地方找到方向呢？要回答这个问题，重要的是要认识到方向是人类约定俗成的，这样的约定使我们的生活和沟通更方便，仅此而已。在宇宙中，这种方向的意义就变得聊聊了。我们所熟悉的那些方向的来源纵观历史，人类绘制了无数的地图，并且在上面标记了方向。绘制这些地图的人大多数人是以自我为中心（或“民族中心”）来定义所谓的方向的。在各种文化中，被绘图者认为是最重要的特征都放置在地图的最显著的部分。在日本的旧江户时代地图中可以看到一个例子，当时的日本人将皇宫放在地图的顶部或中央。在地图上，皇宫就是地图的中心，你必须把地图举起来放到头顶，往上看才能正确阅读这种地图。由于宗教意义，许多中世纪的欧洲地图都将东方（尤其是耶路撒冷）放在地图的顶部。此外，某些文化将东方置于显著的位置，只是因为那是太阳升起的方向。而古代的沿海城市则经常将海洋置于地图的顶部,原因不明。上图：1570年的世界历史地图。“北方在上”地图的流行似乎源于欧洲生活的两个方面。在11至14世纪之间，指南针的广泛使用是造成地图北方在上的原因之一。和人的“司南”不同的是，欧洲人的指南针则是“指北”的，因此将地图相应地调整为将北放在顶部符合这种设计。此外，在北半球，天空似乎围绕北极星（北极星）旋转，因此有助于地图的使用——谁让欧洲人生活在北半球呢？在太阳系内定位当宇宙飞船飞到很远的地方，远到地球不过是远处的一个点时，我们就没有办法通过查看地球上大陆的分布来确定方向了。必须得有另一种。只要宇宙飞船还在太阳系内，鉴于我们对于太阳系的了解程度，要对宇宙飞船定位还是比较容易的。在真空中，天体的运动轨迹的可预测性远比预测地球上的车辆在未来某一刻的位置要高得多。宇宙飞船上的定位设备必须使用几种不同的工具在广阔的宇宙空间中找到自己的“北”。目前所有（无人驾驶）行星际飞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进行的。首先，科学家需要知道飞行器在哪里以及飞行速度如何。这就需要所谓“深空网络”（DSN）——这是一个由至少四座碟形无线电天线终端构成的地面站组成的网络，这些地面站位于世界各地，因此它们具有完整的天空覆盖范围。飞行器的探测器接收和发送来自深空网络的信号，虽然这些信号的频率变化很小，但通过分析这些变化以及发射和接收之间的时间长度，科学家能够以惊人的精度计算出探头的位置和速度。实际上，我们可以将探头的视线速度测量到每秒0.05毫米以内，并将其位置测量到精度3米以内。这可能比您的汽车和GPS设备上的数据都更准确。但要知道这里所谈到的探测器通常距地球数千、数百万或数十亿公里，这定位系统的精度真的是非常高了。上图：深空网络的全球视野覆盖。每个地面站至少包括四个深空终端，配备超灵敏接收系统和大型抛物面天线，包括：一根直径34米（112英尺）的高效天线（HEF）两个或更多34米（112英尺）波束波导天线（BWG）一根26米（85英尺）天线。一根70米（230英尺）天线。上图：深空网络辅助登月定向定位的示意图。上图：深空网络的碟形天线。其次，我们需要配合使用太阳系的精确模型来定位。各国的宇航项目一直使用行星的重力来辅助操纵航天器，重力辅助操纵是指我们利用天体（通常是行星或大型卫星）的重力来改变航天器的轨迹和速度。另外，人类目前所有的深空任务都是行星际的，这意味着探测器将前往太阳系内的某颗行星或行星附近的天体。如果我们不知道目标在哪里，就无法向其发送探测器进行研究。因此在发射探测器和宇航器之前，这些目标和地球的位置就已经被精确地进行了计算和预测，这样就有一个可以参考的框架来精确计算宇航器在飞行过程任何时刻的位置，而这种精度是相当高的。上图：旅行者1号，2号利用重力加速飞出太阳系再次，加上对轨道动力学的计划和安排，科学家们可以对宇航器的未来的轨道以及位置进行非常准确的估算，也就是说，如果不出意外，宇航器未来的轨迹、位置和方向都是在预估的模型之内。星际导航定位在太阳系中飞行时，我们所有的宇航器都依据太阳系内的天体的相对关系来定位和定向，但是当我们的太阳系在空间的黑暗中远到变成一个点时，如果我们仍然需要知道航天器的位置和速度，又该怎么办呢？在这种情况下，我们可能会使用类似于用于旅行者2号的深空导航系统来确定其位置以及运行的速度。这套系统仍然需要一个精确的太阳系模型（至少在开头阶段），之后还需要一个系外恒星运动的模型以及一个目标星系的精确模型（如果有这个目标的话）。利用当今的技术，这些都是可以实现的。宇宙中的一些具有可识别特征的稳定天体也可以用作定向的参考，例如脉冲星。强磁化和快速旋转的中子星（称为脉冲星）的特征性时标可用作自然导航的信标，以确定航天器的位置和速度。上图：利用脉冲星来导航的艺术想象图。此外，从地球或者从我们的太阳系中看到的天空，我们可以得到一张非常准确的天球星图。然后，我们可以从这张星图来估算在不同的距离之外看到天空的样子，但这还需要一张非常精确的恒星实际位置图，实际上，天文学家对银河系中恒星的位置已经非常了解，尤其是离我们很近的恒星的位置，但这些数据都是通过望远镜的观测和分析得来，仍然存在一些影响未来系外导航的不确定性。因此我们必须对星空进行更准确地测量，而人类的第一个星际任务就可能是要负责分析天空并绘制星图。上图：银河系的三维地图。总结目前，我们常说的方向实际上都是以地球为参照确定。在太阳系内定向并不困难，因为整个太阳系都可以用作参照。但要在太阳系外的浩瀚宇宙空间中定位就需要参考脉冲星和其它恒星了。