從“找不著北”到“一路向北”

一個東北小伙不幸在南方的城市迷路，他不得不向人打聽回住所的方向，盤旋在耳邊的都是前前后后、左左右右的聲音，即使有人向他指點了東、南、西、北，小伙也是一臉的茫然，在這個陌生的城市，他怎么能夠知道東南西北啊。方向這個東西似乎一下子就把小伙轟殺至渣了。其實，在人類的漫漫生存史上，辨別方向早就成了一項基礎工作，而全方位的導航，更已經成為了一種時尚的科技。你若不信，不妨聽《Geek》慢慢道來。

天地萬物前來指導

嘉佑元年，歐陽修同志與他的好朋友劉敞作別，醉翁可能是怕這位小弟出門在外找不著北，寫的贈詩中就有了這么一句“行迷方向但看日，度盡山險方逾沙”。你看看這哥們多夠意思，兄弟出門都叮囑到這份上了：你要是迷失了方向啊，那你就看看太陽，這東西朝由東升，晚從西落，只要你能大致把握好時間，你就能知道方向了。抬杠黨馬上就得說了，那晚上呢?晚上太陽沒了看啥啊?能問這問題的兄弟肯定腦子里有點貴恙，晚上沒太陽了不是還有星星嗎?在北宋王朝的很久很久以前，前到公元前，古人們就掌握了這些常識啦，看，在那浩瀚的星空上，不是有北極星嘛!還有那北斗星，不是也在它周圍嗎?當你面對著北極星，你的右邊就是東，左面就是西，背后就是南，如果你連這些都不知道，健次郎是不會原諒你的!

地磁導航這個靠譜

歐陽修這個人吧，詩詞寫得不錯，理工科好像一般，畢竟那時候數理化神馬的都是雜學。他告訴劉原父找不到方向了就看太陽，這手段也太落后了，如果送行的人是沈括，肯定得和劉敞這么說：“劉大人啊，你這旅途上可別找不著北，在下就送你個指南針來辨別方向吧。”指南針是咱們中國的四大發明之一，早在戰國時期，中國人就發現了天然磁石。但指南針的發明，學術界上一般都認為是在公元十一世紀，也就是北宋時期。這個時候中國的自然科學也不受重視，但好在社會風氣自由，曾公亮、沈括這些當官的除了上班看報紙、喝茶水之外，也愛研究這些副業。曾公亮所著《武經總要》中曾提到“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。用時，置水碗于無風處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也”。這就是傳說中的指南魚的做法，采用的是熱殘磁的人工方法來制作指南設備，

沈括在《夢溪筆談》中還記載了另外一種使用摩擦生磁的辦法。總之，宋人已經熟練掌握了人工磁石的制作方法，并且將其粗加可觀天這種大事，就怕陰天下雨，太陽公公不出面。星星姐姐也都藏起來了，剩下我們孤獨的人類，又該如何通過大自然的指引來尋找方向呢?古人們可真有智慧，雖然當時沒有什么先進的儀器，但是他們的總結觀察能力，那可是超一流的。就拿咱們北半球來說吧，古人發現這個大樹的年輪吧，總是北面密集，南面稀疏，找個斧子，砍上一工后制作成了指南設備。沈括總結了水浮、縷懸等幾種磁針放置的方法，將這個發現應用到實際生活中來辨別方向，更加難得的是，這老哥還發現了磁偏角的存在，他說“以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”，也就是發現了指南針所指南北并非地理南北。三百多年后，哥倫布用中國人發明的指南針的加強版航海羅盤向新大陸航行時，歐洲人才發現了磁偏角的存在，后來哈特曼先生又發現了磁傾角。(磁偏角為地磁水平分量和地球正北方的夾角，磁傾角為地磁與該地水平面的夾角。)最終，英國人吉爾伯特根據這些發現指出了指南針能夠辨別方向的緣由——地球本身就是一個大磁體。

棵樹，南北就找到了：再比如吧，如果是秋天，這大雁總是要向南飛：還比如吧，這個螞蟻的洞口，一般都是朝南的。這些也都可以用來辨別方向，可這天地萬物指引方向，總有點不靠譜，日月星辰時常休假，自然景觀偶有偏差，所以要不在這個世界上迷失，光靠這些指導是不行的，還得找點靠譜的東東才成。

人類在很長一段時間內都是利用這種初級的地磁導航設備來辨別南北。當然同時代還有其他導航方式，咱們后邊還會說。這里要說的地磁導航在20世紀中葉又重新得到了重視，地磁場這資源多好啊，綠色無污染，還是固有公共資源，不用白不用，所以國外很多公司和科研機構都開始通過地磁感應器測得的實際地磁數據來和計算機中所保存的地磁基準圖來進行匹配對位。因為地球上任意一點的地磁矢量都具有唯一性，并且能夠和地理上的經緯度存在一一對應的關系。所以只要確定了這一點的地磁數據都能夠實現全球對位。這可就不單單是確定一個方向那么簡單了，而是真正意義上實現全面導航。現代地磁導航技術正在高速發展當中，算是在煥發第二春，但在地球磁場模型建立、磁強計測量精度、地磁導航濾波算法上還都存在著很多問題。

P.S.關于指南車和司南

據中國傳說，早在三千多年前，傳說中黃帝蚩尤兩個部落大戰，黃帝憑借著指南車在狂沙中找到了方向，一舉奠定勝局。一說指南車，大家可能就想到了，這東西是不是就是中國人利用地磁發明的導航器啊?其實不然，指南車應該是一套機械指南設備，假人先定位指向南，再依靠齒輪運行來維持這種恒定性。黃帝那時候還拿著木頭棒子打仗呢，齒輪應該沒啥戲。所以指南車這個東西在那么久遠之前就被發明，這還真的值得懷疑。真正記載指南車的結構和技術規范的文獻見于《宋史·輿服志》之中，有興趣的朋友可以去查詢，《Geek》在此只是說明指南車并非是地磁導航裝備。

天文導航給你力量

雖然咱們在文章開頭把天地萬物的導航說得挺不堪的，其實凡事只要能夠做徹底、深入的研究，未必不能總結出準確可靠的規律和方法來。《Geek》前兩期曾花了很大的篇幅來介紹天文學的發展，其實人們在研究天文的時候，也同時在應用天文，這其中有一項很重要的成果就是天文導航。在大航海時代，航海家們不僅僅需要知道自己前進的方向，更迫切地需要知道自己所處的位置，而人們通過長期的天文觀測，已經整理出了不少星歷資料，將他們總結成星表。這東西能夠描述在某一時刻內某一顆恒星相對于地球的位置。現在如果我們擁有一個儀器可以測量出天體相對于參考基準面的高度角和方位角，那么自然就可以通過已知規律來推算出自己的所在位置。航海家們先是用由一個刻有度數的圓盤及一根瞄準管構成的星盤來測量天體的高度，但這東西精度不高，現在說起星盤來，一般人都以為是算命的。后來在16世紀的時候，英國有個叫做約翰·戴維斯的航海家自己設計了一個象限儀，通過對太陽的定位來確定自己的緯度。注意這里我們始終沒有提經度的概念，因為經度的確立是又兩百年之后的事情了，等到本初子午線也確定下來的時候，航海家們才能用經緯度來準確描述自己的位置了(測定經緯度的歷史請見2010年4期《Geek》)。

18世紀，兩大神器天文鐘和六分儀的出現，正式標志著天文導航進入了一個成熟階段。經度測量的基本原理就是通過比較太陽上中天時地方時間與出發地的時間出現在歷史教科書上的司南往往被認為是中國人所發明的較早的利用地磁特性導航的裝備，司南形體很似湯勺，據說是用天然磁石做成，將其放置在光滑表面上可指南北。人言亦言，大家也都信了。可這東西似乎有點不合理，司南磁矩過小，加上底部摩擦，指南難度相當之大。建國之初郭沫若委托錢臨照先生以天然磁石復原司南，結果以失敗告終，后來王振鐸先生倒是復制了一1、現在國家博物館都不展出了，原因不明，就此打住。

差，而有了計時器的準確測量，很容易就做出這種比較。舉個例子來說，如果當地太陽上中天的時間比格林威治時間早了一個小時，那么這個地方自然是東經15度了：六分儀是一個扇形裝置，其組成部分包括一架小望遠鏡，一個半透明半反射的地平鏡，一個與指標相聯的指標鏡。六分儀的刻度弧為圓周的1／6。使用的時候，觀測者手持六分儀，轉動指標鏡，使在視場里同時出

現的天體與海平線重合。根據指標鏡的轉角可以讀出天體的高度角，從而確定出自己所在的緯度。后來美國船長T.H.薩姆納發現天文船位線，法國海軍軍官圣伊萊爾發明截距法，使得航海中的天文導航變得更加準確易行了。

六分儀

天文導航不僅應用在航海上，到了近代，空戰和航空之中也大量應用了天文導航系統，其核心儀器是自動天文跟蹤器、天文羅盤和六分儀。自動天文跟蹤器能從天空背景中搜索、識別和跟蹤星體，并測出跟蹤器瞄準線相對于參考坐標系的角度；天文羅盤通過測量太陽或星體方向來指示飛行器的航向：六分儀通過對恒星或行星的測量而指示出飛行器的位置和距離，其原理與航海所用的系統基本上是一致的。不過天文導航最大的缺點就是你得能見天，這要是陰天下雨航海或是進行超低空飛行，就有點不好用了。但相比咱們還要提到的幾種導航技術，天文導航不需要其他地面設備的支持，所以即使到了導航技術非常發達的現在，船長和飛行員們一般都還帶著這么一套自主式導航系統，萬別人不能給予自己導航支持了，手中還有這一利器保證自己不會迷失。

無線電導航 輝煌一時

前面貌似咱們提到了空戰，那就說說空戰吧。話說那是1940年冬，英國軍事工業重鎮考文垂市上空突然響起了刺耳的空襲警報，隨后便是長達1_個小時的爆炸聲，當人們走出防空洞的時候，他們那熟悉的城市已經近乎消失了。當然英國人也沒有光挨炸，1942年初，英軍出動千架飛機轟炸德國工業城市科隆，光炸彈就扔了1000多噸，給德軍造成了重大的損失。從表面上看，英德空戰較量的似乎是軍事實力，其實主角除了那些翱翔在天空上的飛機，還有人們看不見的無線電波。

地面無線電測向導航

說到無線電導航的發明，其實和天文導航不無關系，前面咱們也說了天文導航受天氣影響很大，19世紀初的時候，美國飛行探險家查理·林森博格要完成跨越大西洋的壯舉，他從美洲飛往歐洲的途中，遭遇了暴風雨，天文導航自然是不能用了，這廝稀里糊涂地飛了幾十個小時，突然看見了一個漁船，他趕緊低飛過去，使勁喊了一嗓子：“愛爾蘭在哪兒啊?”這個宛若笑話式的故事確實體現了天文導航的局限性，而無線電導航也恰恰是為了彌補這個缺點而被發明的。早在1911年的時候，就有人開始研究無線電波的定向性，一戰中，德國齊柏林飛艇轟炸倫敦時就使用了原始的地面無線電測向導航。到了第二次世界大戰的時候，無線電導航成為了飛機和艦艇必需的設備，雷達成為了決定一場戰爭成敗的關鍵。而當時同盟國與協約國之間長期的空戰、海戰更是催使這項技術快速發展，德國的Knickebein系統、英國的Gee系統、美國Loran系統都曾名揚一聲，這些系統都是利用電磁波的傳播特性制定的。電磁波在均勻理想媒質中沿直線傳播，在自由空間的傳播速度是恒定的，在傳播路線上遇到障礙物或在不連續媒質的界面上時會發生反射。由此原理，通過在地面導航站和飛機上安裝發射器和接收器來完成測角、測距和測速工作。

雖然無線電導航相比天文導航具有不受天氣影響的優越性，但其本身也存在著許多缺點，那就是無線電波非常容易受干擾，二戰時期交戰雙方幾乎每天都在想著破壞對方的無線電導航系統。而且無線電系統受地面導航站影響比較大，一旦沒有地面支持，飛行員馬上進入失明狀態。在二戰之后，無線電導航系統廣泛應用在民用航空上，大家在乘坐飛機的時候都會被要求關閉手機等設備吧(雖然不關手機也未必出事故)，這就是無線電導航的缺點導致咱們不得不如此，這個曾經顯赫一時的導航技術，已經真的成為了明日黃花。

慣性導航廣泛應用

慣性導航技術的核心元件陀螺儀

就在英國皇家空軍發動“千機大轟炸”的這一年，德國人在地面武器上開始采用了一種全新的導航技術：慣性導航。慣性導航最早被應用在V2火箭上面，系統采用了兩臺陀螺儀和一臺橫向加速度表，再加上一臺模擬計算機來調整火箭飛行的方位。根據測量數據，模擬計算發出信號調整4個位于垂直尾翼上的外部方向舵來控制火箭的飛行，是一套封閉式的自主導航系統。德國戰敗，馮·布勞恩帶著500多名火箭專家跑到美國繼續做慣性導航研究。到了1952年夏天，美國的兩位博士開始在IBM 650計算機上利用MAC語言進行導航計算，這一弄就是6年，第一個慣性導航計算模型總算在1958年誕生，而MAc語言作為第一種可以人工閱讀的計算機語言也在航天方面得到廣泛應用。同一年，舡魚號潛艇依靠慣性導航在北極冰下航行21天，證明了慣性導航可以在船舶、潛艇、車輛等多個領域廣泛使用。1961年2月，美國國家航天航空局委托麻省理工學院為阿波羅登月計劃設計導航系統，其核心系統還是慣性導航。

早期的慣性導航系統

講完了發展也該說說慣性導航的原理了，想用幾百字來概括絕對是自不量力，只能簡單說說。慣性導航系統的基礎是牛頓的力學定律，它通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等元件組成。測量裝置包括加速度計和陀螺儀，3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的3個轉動運動：3個加速度計用來測量飛行器的3個平移運動的加速度；計算機根據測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數據，控制顯示器則是用來顯示各種導航參數。按照慣性導航組合在飛行器上的安裝方式，慣性導航分為平臺式系統和捷聯式系統，前者安裝在機電平臺上，后者直接安裝在載體上。捷聯式系統是目前慣性導航的主流系統，被廣泛應用在航海、航天等領域。至于技術細節，請童鞋們參考國防工業出版社那本厚厚的《慣性導航原理》一書吧!240多頁的內容包含從概念到模型到原理等等知識，其中涉及大量的專業知識，就算你是理工科的學生讀起來也要有很長的消化吸收時間。

衛星導航時代寵兒

GPS衛星的運行軌道

說到衛星導航，這恐怕是大家最為熟悉的一個名詞了。看看自己的座駕，翻翻兜里的手機，衛星導航系統都有可能存在其中。這項技術的啟蒙源于1957年蘇聯發射的第一顆人造衛星，當時美國霍普金斯大學的吉爾博士和魏分巴哈博士對衛星遙測信號的多普勒頻移產生了濃厚的興趣，他們認為利用衛星遙測信號的多普勒效應可對衛星精確定軌，而同所大學的克什納博士和麥克盧爾博士則認為在已知衛星軌道的前提下，利用衛星信號的多普勒效應可確定觀測點的位置。恰好當時美國海軍正在尋求一種可以對北極星潛艇中的慣性導航系統進行間斷精確修正方法，于是美國軍方便積極資助霍普金斯大學應用物理實驗室開展進一步的深入研究。在克什納博士的領導下，子午衛星導航系統于1964年1月正式建成并投入軍方使用，后來由軍方解密供民間使用。但這套導航系統存在著許多不足，美國國防部在1973年12月正式批準陸、海、空三軍聯合研制第二代的衛星導航系統：全球定位系統(G JoboI PositioninSystem)，簡稱GPS。這個計劃總投資300億美元，經歷了方案論證、系統論證、試驗生產三個階段，終于在20世紀90年代中期投入使用。GPS衛星系統共由24顆衛星組成，分布在6條交點互隔60度的軌道面上，軍民兩用，精度約為10米，在得到軍方授權后，精度更高。

車載GPS導航系統

就在美國對GPS定位系統進行論證的時候，前蘇聯也開始了衛星導航系統的布建，該系統叫做全球導航定位系統(Globol Navigation Satelite Svstem)，簡稱GLONASS。這個計劃于1982年開始實施，不巧趕上蘇聯解體，歷經一番周折之后，最后由俄羅斯于1996年建成。該系統也是由24顆衛星組成，精度與GPS大致相同，它的出現打破了美國對衛星導航獨家經營的局面，既可為民間用戶提供獨立的導航服務，又可與GPS結合，提供更好的精度。作為歐洲最大的獨立聯合體，歐盟在衛星導航系統上自然也不甘落后，從1994年開始，歐盟國家就頂著美國的巨大壓力開始對伽利略系統方案實施論證。2002年3月歐盟15國交通部長一致同意伽利略系統的建設，該系統由歐盟各政府和私營企業共同投資36億歐元建設，它由30顆衛星組成，定位誤差不超過1米，主要用于民用。就在伽利略計劃提出后不久，中國也開始打造自己的衛星導航系統：北斗導航系統，并于2000年10月31日發射第一顆衛星：北斗-1A。迄今為止北斗系統一共發射了11顆衛星，其中北斗一G2疑似脫離軌道失效。這套系統布建完成之后將由35顆衛星組成，精度也是大約10米左右。以上所述就是當今世界的四大衛星導航系統，其中以GPS應用最為廣泛。

時下的衛星導航技術，大多采用三球交會定位原理。它以已知衛星或地球質心為球心，以已知衛星或地球質心到用戶距離為半徑，繪制3球的交會點，進而推算出用戶位置。采用有源時間測距的衛星導航定位技術時，用戶終端主動通過導航衛星向地面控制中心發出定位申請信號，然后地面控制中心發出測距信號，根據信號傳輸的時間測定用戶到兩顆衛星的距離，推算出用戶的位置，最終發送到用戶終端。采用無源時間測距的衛星導航定位技術時，用戶被動測量來自4顆導航衛星發出的信號，根據信號傳輸時間測定用戶到這些衛星的距離，然后通過數學運算得到用戶的三維坐標與速度。從原理上來看，其實衛星導航所采用的技術也正是脫胎于天文導航與無線電導航，只不過是一個超級無敵威力加強版罷了。

導航前景 組合為先

從20世紀末開始，在各個領域中所應用的導航技術已經不僅僅是某種導航技術的單獨應用了，慣性導航與衛星導航經常被組合使用，比如說大家所熟悉的戰斧式巡航導彈，美國在伊拉克戰爭中撇了那么多，一方面是利用了自己的全球衛星定位系統來導航，另一方面這些導彈也都搭載了慣性導航系統；在民用方面，汽車上所采用的導航系統，也會采用慣性導航和GPS導航相結合的方式，以便在GPS信號無法接收時也能保持正確導航。組合導航已經成為了未來的發展趨勢，相信隨著科學技術的發展，大家在日常生活中也會更多地領略到它們的風采。

鄉間公路上，一個拉風的年輕人開著車，唱著“我一路向北，離開有你的季節，你說你好累，已無法再愛上誰，風在山路吹，過往的畫面，全都是我不對，細數慚愧，我傷你幾回；我一路向北，離開有你的季節，方向盤周圍，回轉著我的后悔……”一路向北，也算是來之不易啊!