星语新愿 | 如何在深空中准确定位探测器？
深空探测
顾名思义，任务最大特点是“深空”二字
这意味着数亿千米乃至更远的距离
飞行任务持续数月乃至数年
飞行过程中还需要进行
轨道修正和深空机动等复杂操作
生活在地球上的我们
早已习惯使用卫星导航系统定位
这些导航卫星大都飞行在
地球附近20000-36000千米内
一些近地轨道卫星和载人航天任务
仅距离地球表面数百千米高
也能够使用导航卫星定位
这些操作的顺利进行都需要一个基本前提：首先要在茫茫深空中准确知道探测器的位置，掌握其速度和方位等信息。
人类已经生活在一个无法离开北斗和GPS的时代©️北斗办
然而，更远的深空探测器
例如天问一号
现在已经距离地球超过3000万千米
不可能再使用导航卫星定位
航天人就需要研究其他方法了
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方法一：传统地基测距和多普勒测速
这是深空探测任务中比较成熟的定位方法。
它的基本原理可以用中学阶段的经典课后习题解答：
1.对着悬崖峭壁大喊后多少秒后听到回声，已知声速，求人与悬崖之间距离？
2.火车鸣笛靠近过程中声音逐渐尖锐，频率变高；离开时频率变低。已知声速和频率变化，求火车运动速度？由速度和时间等反推距离信息。
把以上题目中的关键词换成地球上的深空测控站、探测器天线、电磁波速度（光速）、深空通信用电磁波基准频率、实际接收频率、多普勒频移、信号收发时间等，问题就变成如何获得探测器的距离和速度等信息。
当然，实际情况远比中学知识复杂。
在深空探测器定位定速过程中，还需要解决天体动力学、探测器动力学、通信频率和信道选择、码和载波编制方式、转发通信环节噪声、接收和发射机钟差信息等一系列核心技术。
目前距离人类最远的探测器是旅行者一号，距地球超过226亿千米，它的重要定轨信息就是依靠地基测距和多普勒测速等©️NASA
总体上，这种方法简单易行，数据处理方式比较成熟，能长时间连续观测。但它的缺点是必须连续观测很长时间（数小时）后才能获得精准位置和速度信息，动力模型误差容易积累，最终测量的精度依然有限，误差可达几十千米。
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方法二：甚长基线干涉测量（VLBI）
这种技术来自射电天文学对宇宙深处射电源位置和方位的经典测量方法。
基本原理是利用彼此距离较远的多个深空测控站构成基线甚至网格，它们利用超高精度的原子钟（数千万年误差1秒级别）实现时间同步，同时观测一个探测器时，通过观测数据计算信号到达各观测站的时间差(时延观测值)及其变化率(时延率观测值)，综合测距、测速数据，进行精确的轨道测定。
人类首张黑洞照片，“摄影师”就是数个全球分布的VLBI测控站/望远镜组成了相当于地球尺寸的事件视界望远镜©️编辑自Ehtelescope
这些分布在较大空间尺度的数个测控天线，被等效成了一个巨大的虚拟天线。如果这些天线分布在地球各地，甚至能建立成一个口径等效于地球大小的“望远镜”。这些年著名的天文发现，例如黑洞观测，VLBI是技术核心。
这就仿佛人类在看物体时，两个眼睛同时工作能收获到比单眼观测更加丰富精准的目标空间信息。另一个来自大自然的例子是复眼类昆虫，尤其是苍蝇，它对运动物体的反应速度和定位精度都很强，直观的表现是不借助特殊工具人类很难打到它。
对于一直在向地球发射信号的深空探测器而言，甚长基线测量也逐渐成为重要的测控技术。我国在嫦娥探月工程期间，就曾利用佳木斯、乌鲁木齐、北京、上海、昆明等站的数据实现测控目标。
中国也通过国际合作构建了全球性的干涉测量基线组合©️（董光亮、李海涛、郝万宏等。中国深空测控系统建设与技术发展[J]. 深空探测学报，2018， 5(2):99-114.）
对于更远更复杂的天问一号任务，还会有分布在欧洲、非洲、美洲和澳洲的测控站参加测量，这个虚拟“天线锅”更大！
因而，甚长基线测量技术的定位、测角精度都很高，持续观测时间短（以分钟计），且是个独立的观测系统，对数亿千米外的火星探测任务而言定位精度可达1千米级，是目前深空探测任务中的核心测控技术。
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方法三：自主导航
顾名思义，这类方法的核心是依靠探测器自己确定位置，与地球无关。
其中，最经典的方法是天文导航。宇宙的尺度宏大，1光年（约9.5万亿千米）都仅是很短的距离，整个太阳系都显得微不足道。因而，在整个太阳系内观测宇宙各个角落的恒星时，它们可以被认为是固定在各自位置上的。通过经年累月的天文观测，人类熟练掌握了它们的精准信息。如果让探测器带上恒星敏感器，不断对星空背景拍照，对比已储存的数据库，就能反推得知自己的位置信息，尤其是更精准的姿态信息。理想情况下，位置精度可以达到数百米，姿态精度可达角秒（1度的3600分之一）级。
同样的道理，也可以通过观测太阳系内的天体，例如太阳、各大行星和小天体等，获取自己的位置信息。例如，天问一号刚出发后拍摄了地球和月球的合影，阿联酋的希望号也拍摄了遥远火星的照片。在实际飞行中，通过观测这些天体的相对位置和相对大小变化，也能辅助确定自己的位置和姿态信息。
7月27日，刚飞行4天的天问一号在距离地球120万千米之外拍下了这张地月合影
天文导航完全独立，测量频率和测量精度都很高，是深空探测器的必备技术之一。目前正在研究的基于脉冲星导航技术，也是它的重要发展方向。此外，探测器还可以通过携带惯性测量装置、高精度深空原子钟、深空星间链路、特制信标视觉导航设备和其他装置等，实现多种多样的自主导航方式。
总体来说，深空探测器往往不会依赖某一种测控方式，而是采取“多管齐下，信息融合”的方式，不同技术互为有效补充，扬长避短。不同系统互为矫正，也有利于进一步提高某一项技术。最终，聪明的航天人，会用自己的最强大脑，为深空探测器研究出最佳综合测控方案。
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作 者 | 毛新愿
编 辑 | 石磊