想象一下，你是一名普通的星际飞船指挥官。你出发前往附近的一颗恒星，加速到接近光速的速度。你知道在一段时间后必须减速。但在你开始机动之前，你会检查你的速度和位置。往窗外快速一看应该就能确认一切。
这时问题就来了。窗外的星象与你出发时完全不同，因此你无法再依靠熟悉的星座来帮助你定位和导航。事实证明，星际飞船指挥官的导航比你想象的要困难得多。
然而，在未来，你和你的同事将能够利用德国马克斯·普朗克天文学研究所的科林·贝勒-琼斯（Coryn Bailer-Jones）的研究成果。他开发了一种确定我们附近航行中的航天器位置和速度的方法。他的方法可以将位置精确到约5亿公里，这仅是地球到太阳距离的几倍。
恒星邻域
贝勒-琼斯的方法很简单。他汇编了一幅三维的附近恒星图及其在我们附近的运动方式。然后，从该区域的任何一点，都可以通过测量三对恒星之间的角度来确定你的位置。
通过测量每颗恒星的一个称为“光行差”的特性，也可以计算出你的速度。这是一种光学错觉，会改变相对于观测者移动的恒星的位置。
几个世纪以来，天文学家一直在研究恒星的光行差。这一现象被发现是因为地球绕太阳运动导致了这种视在位移。因此，相对于太阳系的许多恒星的光行差是众所周知的。
当然，对于银河系中其他地方的航天器来说，光行差的影响是完全不同的。但可以通过测量恒星之间角度的任何变化来确定。贝勒-琼斯说：“如果我们测量许多恒星的位置——也就是说，许多恒星之间的角距离——那么我们就可以期待解开视差和光行差的影响，从而确定我们航天器的三维位置和三维速度。”
这种方法已经显而易见一段时间了，但贝勒-琼斯将其向前推进了一步。“尽管使用星表进行星际导航的概念并非新事物，但据我所知，这是第一次详细介绍并经过模拟测试，”他说。
在过去，这种工作是不可能的。这是因为直到最近，得益于盖亚（Gaia）等空间望远镜，我们才获得了大多数恒星的精确位置和速度测量数据。自2013年以来，欧洲航天局的这项任务已经测量了约10亿颗恒星和其他天体的位置和运动。其结果是，我们本地邻域的三维星图达到了前所未有的精度。
贝勒-琼斯通过模拟星际航天器的导航问题来测试他的想法。他指出：“第一代星际航天器很可能是小型化的，因此它们将仅限于只能观测到更亮恒星的小型导航系统。”
他创建了一个包含附近100颗最亮恒星位置和速度的目录。然后，将一艘航天器放置在这个星图的随机位置，并让它能够以与当今星追踪器相同的精度测量其看到的10颗恒星之间的角度。然后，对测量数据进行处理，以确定航天器在三维空间中的位置和速度。最后，他对100个不同的随机航天器位置重复了这个过程，并改变了测量恒星的数量。
该系统运行良好。随着航天器测量到的恒星数量的增加，结果变得越来越精确。通过测量100颗恒星，可以将航天器的位置精确到1.5亿公里以内，速度精确到每秒0.6公里以内。
AI指挥官
事实上，这种能力对于第一批星际飞船指挥官来说将非常有用，而这些指挥官很可能是控制着邮票大小航天器的人工智能系统。尽管如此，它们仍然是有用的。
当然，天文学家已经研究了在星际空间确定位置的其他方法。一种方法是使用脉冲星作为信标进行三角定位，就像GPS设备使用轨道卫星的信号进行导航一样。这种方法的精度取决于脉冲星的周期和方向能够被提前测量的程度。
早在2016年，英国的一个团队就表明，如果航天器相对靠近太阳，这项技术可以将航天器的位置精确到几公里之内。然而，在光年距离上，精度则不太确定。
还有简单的推算和惯性导航。如果你从一个精确的速度和方向测量开始，那么飞行时间就决定了你的最终位置。很简单！惯性系统也可以处理转弯和偏航。
这种方法在地球上可以非常精确。但随着时间的推移，各种偏差和误差可能会悄悄地溜进计算中。太空飞船指挥官是否愿意在星际距离上依赖这种方法，可能性不大。
这就剩下贝勒-琼斯的方法了。像盖亚和其他类似任务的星图可能会变得越来越精确和详细。因此，当第一艘星际飞船从地球启程前往比邻星或其他目的地时，这种方法的某个版本很可能将处于掌舵地位。
参考：迷失太空？利用天文星表进行相对论星际导航：arxiv.org/abs/2103.10389
