火星探测器、卫星是如何导航的？怎么确定其在宇宙中的具体位置？
首先，要确定它们的位置，最根本的办法就是“三角测量法”，不过在太空里，这个“测量”要复杂得多。我们地面上可以用尺子量，但在太空，我们得依靠无线电信号。
想象一下，地球上的一个庞大深空网络（DSN），里面有无数巨大的碟形天线，它们像巨人的耳朵一样，时刻倾听着来自遥远太空的声音。当探测器或卫星需要知道自己的位置时，它会主动或被动地向地球发送信号。
这个信号到达地球需要一定的时间。我们精确测量这个信号从发射到接收的时间差，结合光速（或者说无线电波的速度，它们是相同的），就能估算出探测器距离地球有多远。这就像你对着远处的山谷大喊一声，然后数数听到回声需要多久，就能知道你离山谷有多远。
但是，这只是算出了距离，我们还需要知道它在哪个方向上。这就需要用到角度测量。DSN的那些巨型天线，它们的方向是可以极其精确地控制和追踪的。当探测器发来的信号被某个天线接收时，我们就知道这个信号是从哪个方向来的。不过，单靠一个天线测量的角度还不够精确，因为信号的来源可能在一个很大的圆锥面上。
所以，DSN会动用多个地面站。比如，当火星探测器发出信号时，美国加州的、澳大利亚的、西班牙的三个DSN站可能都在接收。通过比较不同地面站接收到信号的微小时间差（称为到达时间差，TDOA），以及结合天线指向的角度信息，我们就能计算出探测器在三维空间中的精确位置。这个过程有点像你在三个不同的位置，同时听到远处传来的爆炸声，通过你听到声音的先后顺序，你就能判断出爆炸发生的大致位置。
当然，这只是初步定位。为了让定位更精确，我们还会利用多普勒效应。探测器在太空中运动，它发出的无线电信号的频率会因为它的运动而发生微小的变化（就像救护车靠近时声音越高，远离时声音越低一样）。我们测量这个频率的变化（多普勒频移），就能非常精确地知道探测器相对于地球的速度。
把距离、方向和速度信息结合起来，我们就可以建立起一个“轨道模型”。这个模型考虑了太阳、地球、火星以及其他天体的引力，还有探测器自身的姿态控制和推进系统的影响。通过不断地接收来自探测器的数据（比如它发出的无线电信号），我们地面上的科学家和工程师就能不断地更新和修正这个轨道模型，从而实时地知道探测器在哪里，以及它将要往哪里去。
除了直接与地球通信定位，环绕火星的卫星还有更方便的定位方式。它们就像地球上的GPS卫星一样，形成了一个“火星导航系统”。卫星在环绕火星运行时，会不断地向火星表面或近距离飞行的其他航天器发送包含自己精确位置和时间的信号。
地面的探测器或火星表面的着陆器，接收到这些信号后，就像我们用手机接收GPS信号一样，通过至少四颗卫星的信号，就能计算出自己在火星上的精确坐标（经度、纬度、海拔）以及时间。这个过程同样依赖于精确的时间同步和信号传播时间的测量。
总而言之，火星探测器和卫星的导航，是一个集无线电通信、精密测时、角度测量、多普勒效应分析以及复杂的轨道动力学计算于一体的系统工程。它依赖于地球上强大的地面支持网络，也可能利用“火星本地”的导航卫星，最终实现对这些太空探索者精准而持续的“指引”。这就像一场跨越数亿公里的“通信赛跑”，每一秒的信号都承载着至关重要的位置信息。
网友意见
嗨，回答一下火星探测器是如何导航的？
火星距离地球最远约为4亿千米，火星探测器在飞向火星的漫漫长途中，将进行多次轨道中途修正，逐渐接近火星；为了实现环绕火星，探测器还将进行火星捕获机动和一系列的捕获轨道修正；在火星着陆降落前，还需要对待着陆区进行成像和预报分离点的位置，这些都离不开对火星探测器的精确导航。
通常，火星探测器导航可以分为地基导航和自主导航两类，其中地基导航由于实现方便、精度高，是最主要的导航手段。国外火星探测活动经验表明，对火星探测器的精确地基导航主要依靠深空网。利用深空网对火星探测器进行无线电距离和速度测量（图1所示），即通常所说的测距和多普勒测量。在此基础上考虑太阳光压、各天体引力摄动等动力学模型，解算探测器在太空中的位置和速度等信息，进而实现导航。由于距离遥远，距离和速度测量对导航精度的敏感性不断降低，为了进一步提升导航精度，还加入甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI），获取对探测器的角度测量，进一步提高导航精度。
图2是美国NASA深空网在深空探测任务中利用测距、多普勒和VLBI能够到达的精度。这三种导航手段的特点如下：
距离测量主要采用纯侧音相干转发测距，音码混合测距，以及再生伪码测距三种方式，其中再生伪码测距可以避免转发环节噪声的影响，有效提高探测器上的功率利用效率，实现测距信噪比的提高，更加适合火星探测等深空活动，对火星探测器的导航精度约为几十千米量级。
多普勒速度测量以精度高、通用性好一直是深空导航领域主要的跟踪数据类型，如美国X波段速度测量精度能够达到0.03mm/s，对火星探测器的导航精度约为十几千米量级。
VLBI技术的发展经历了ΔVLBI (Delta VLBI)、双差分单向测距(Delta Differential One-way Range，ΔDOR)、同波束干涉测量（Same Beam Interferometry, SBI）、连线干涉测量（Connected Element Interferometry，CEI）、甚长基线阵(Very Long Baseline Array，VLBA)等阶段，精度也从数百个nrad（纳弧度）提升至约1nrad（对火星探测器的导航精度约为1千米），将来甚至能达到0.1nrad。
VLBI技术作为传统测距和多普勒测速方法的重要补充，在现代深空导航中具有不可取代的地位，两者的具体对比参见表 1 测距和多普勒测速技术与干涉测量技术对比。
除了地基导航，火星探测器还可以通过自身携带的有关设备进行天文导航、惯性导航、视觉导航等自主导航，这些手段可以在接近火星或者火星表面巡视时使用。基于X射线脉冲星的自主导航方法还处于研究探索中，也是火星导航的一种潜在手段。
我国首次火星探测任务的导航，主要依靠佳木斯深空站、喀什深空站和阿根廷深空站组成的深空测控网，以及我国射电天文观测网的VLBI测轨分系统来实现的。
注：有兴趣的您可以参阅清华大学出版社 2005年出版的Thornton，C.L. Border，J.S. 著 李海涛 译 《深空导航无线电跟踪测量技术》 。
答者：李海涛
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