遙遠的星座在幾年或者幾十年的範圍內位置基本是固定的，在太空飛行可以用遙遠的星座作為方向的參考目標。在太陽系飛行可以用太陽作為原點定位。天文學家可以算出太陽系各個行星在軌道上的位置，並且利用這些行星的引力作用給飛船彈射加速。在太陽系人類飛船已經玩的很好，可惜的是對於浩瀚宇宙，這點距離實在太小了。

東西南北是與地球相關的方向，但是在空間中沒有行星可以用於方向參照，如何才能在地球以外的地方找到方向呢？要回答這個問題，重要的是要認識到方向是人類約定俗成的，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源

縱觀歷史，人類繪製了無數的地圖，並且在上面標記了方向。繪製這些地圖的人大多數人是以自我為中心（或“民族中心”）來定義所謂的方向的。在各種文化中，被繪圖者認為是最重要的特徵都放置在地圖的最顯著的部分。在日本的舊江戶時代地圖中可以看到一個例子，當時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放到頭頂，往上看才能正確閱讀這種地圖。由於宗教意義，許多中世紀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，某些文化將東方置於顯著的位置，只是因為那是太陽昇起的方向。而古代的沿海城市則經常將海洋置於地圖的頂部,原因不明。

上圖：1570年的世界歷史地圖。

“北方在上”地圖的流行似乎源於歐洲生活的兩個方面。在11至14世紀之間，指南針的廣泛使用是造成地圖北方在上的原因之一。和華人的“司南”不同的是，歐洲人的指南針則是“指北”的，因此將地圖相應地調整為將北放在頂部符合這種設計。此外，在北半球，天空似乎圍繞北極星（北極星）旋轉，因此有助於地圖的使用——誰讓歐洲人生活在北半球呢？

在太陽系內定位

當宇宙飛船飛到很遠的地方，遠到地球不過是遠處的一個點時，我們就沒有辦法透過檢視地球上大陸的分佈來確定方向了。必須得有另一種方式。只要宇宙飛船還在太陽系內，鑑於我們對於太陽系的瞭解程度，要對宇宙飛船定位還是比較容易的。在真空中，天體的運動軌跡的可預測性遠比預測地球上的車輛在未來某一刻的位置要高得多。

宇宙飛船上的定位裝置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行的。

首先，科學家需要知道飛行器在哪裡以及飛行速度如何。這就需要所謂“深空網路”（DSN）——這是一個由至少四座碟形無線電天線終端構成的地面站組成的網路，這些地面站位於世界各地，因此它們具有完整的天空覆蓋範圍。飛行器的探測器接收和傳送來自深空網路的訊號，雖然這些訊號的頻率變化很小，但透過分析這些變化以及發射和接收之間的時間長度，科學家能夠以驚人的精度計算出探頭的位置和速度。實際上，我們可以將探頭的視線速度測量到每秒0.05毫米以內，並將其位置測量到精度3米以內。這可能比您的汽車和GPS裝置上的資料都更準確。但要知道這裡所談到的探測器通常距地球數千、數百萬或數十億公里，這定位系統的精度真的是非常高了。

上圖：深空網路的全球視野覆蓋。

每個地面站至少包括四個深空終端，配備超靈敏接收系統和大型拋物面天線，包括：

一根直徑34米（112英尺）的高效天線（HEF）

兩個或更多34米（112英尺）波束波導天線（BWG）

一根26米（85英尺）天線。

一根70米（230英尺）天線。

上圖：深空網路輔助登月定向定位的示意圖。

上圖：深空網路的碟形天線。

其次，我們需要配合使用太陽系的精確模型來定位。各國的宇航專案一直使用行星的重力來輔助操縱航天器，重力輔助操縱是指我們利用天體（通常是行星或大型衛星）的重力來改變航天器的軌跡和速度。另外，人類目前所有的深空任務都是行星際的，這意味著探測器將前往太陽系內的某顆行星或行星附近的天體。如果我們不知道目標在哪裡，就無法向其傳送探測器進行研究。因此在發射探測器和宇航器之前，這些目標和地球的位置就已經被精確地進行了計算和預測，這樣就有一個可以參考的框架來精確計算宇航器在飛行過程任何時刻的位置，而這種精度是相當高的。

上圖：旅行者1號，2號利用重力加速飛出太陽系再次，加上對軌道動力學的計劃和安排，科學家們可以對宇航器的未來的軌道以及位置進行非常準確的估算，也就是說，如果不出意外，宇航器未來的軌跡、位置和方向都是在預估的模型之內。星際導航定位

在太陽系中飛行時，我們所有的宇航器都依據太陽系內的天體的相對關係來定位和定向，但是當我們的太陽系在空間的黑暗中遠到變成一個點時，如果我們仍然需要知道航天器的位置和速度，又該怎麼辦呢？

在這種情況下，我們可能會使用類似於用於旅行者2號的深空導航系統來確定其位置以及執行的速度。這套系統仍然需要一個精確的太陽系模型（至少在開頭階段），之後還需要一個系外恆星運動的模型以及一個目標星系的精確模型（如果有這個目標的話）。利用當今的技術，這些都是可以實現的。

宇宙中的一些具有可識別特徵的穩定天體也可以用作定向的參考，例如脈衝星。強磁化和快速旋轉的中子星（稱為脈衝星）的特徵性時標可用作自然導航的信標，以確定航天器的位置和速度。

上圖：利用脈衝星來導航的藝術想象圖。

此外，從地球或者從我們的太陽系中看到的天空，我們可以得到一張非常準確的天球星圖。然後，我們可以從這張星圖來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恆星實際位置圖，實際上，天文學家對銀河系中恆星的位置已經非常瞭解，尤其是離我們很近的恆星的位置，但這些資料都是透過望遠鏡的觀測和分析得來，仍然存在一些影響未來系外導航的不確定性。因此我們必須對星空進行更準確地測量，而人類的第一個星際任務就可能是要負責分析天空並繪製星圖。

上圖：銀河系的三維地圖。

總結

目前，我們常說的方向實際上都是以地球為參照確定。在太陽系內定向並不困難，因為整個太陽系都可以用作參照。但要在太陽系外的浩瀚宇宙空間中定位就需要參考脈衝星和其它恆星了。