導(dǎo)航 從星星指路到衛(wèi)星定位

從觀星辨位到手機(jī)定位，導(dǎo)航伴隨著人類社會的發(fā)展而產(chǎn)生，是從古至今人們遠(yuǎn)行的必要依靠，減少了很多走錯路、找不到方向的尷尬。今天，導(dǎo)航已成為人們出行找路必不可少的工具，不斷為生活創(chuàng)造美好。

1.觀星辨位

(相關(guān)資料圖)

古人遠(yuǎn)行，沒有衛(wèi)星導(dǎo)航，他們是怎樣找到正確的方向呢？其實(shí)，除了張口問，最簡單的當(dāng)屬尋找一些不變的天然地標(biāo)。

公元前3000年的古歐洲人通過記錄天然的石頭山的位置，形成最原始的地圖，實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)航。我國古代統(tǒng)治者則通過修建官道，讓人們知道走了多少距離、身在何處。一般來說，人們只要沿著官道及路上的指示說明就能到達(dá)目的地。為了丈量路程，每隔一段距離，官府就會在官道旁堆個石堆或壘個土堆作為路標(biāo)，稱之為“堠”（音hòu），5里單堠，10里雙堠，標(biāo)示著由始發(fā)地到目的地的道路里程。

《山海經(jīng)》等古籍中曾提到過“堠”，更明確直接的記載見于《北史》中：韋孝寬曾出任雍州刺史，當(dāng)時雍州路旁每隔一里就有一個土堠，由于經(jīng)常被雨水沖毀，所以韋孝寬上任后便下令種植槐樹代替土堠。后來這種方式得以推廣，各地每隔一里種植一棵樹，每隔十里種三棵樹，每隔百里種五棵樹。不過，由于當(dāng)時社會動蕩，到了唐代，“堠”依然以土堆和石堆為主。歷史上，除了上述形式，人們還會用立碑的方式來建“堠”。為了防止損毀，官方甚至還會安排專人管理導(dǎo)航路標(biāo)。

此外，古代的官道上還有驛站。漢朝時，每三十里設(shè)有一個驛站。盛唐時，驛站遍布全國，馬可·波羅曾記載：“無人居之地，全無道路可通，此類驛站，亦必設(shè)立。”說的就是當(dāng)時許多人跡罕至的地方也設(shè)有驛站。直到明清時期，驛站依然是古代陸路“導(dǎo)航系統(tǒng)”中不可缺少的部分。

在水路，天然地標(biāo)也是古人最早的不二之選。公元前5世紀(jì)，居住在今黎巴嫩的腓尼基人已經(jīng)可以駕駛船幅寬闊的月牙形槳帆船穿過直布羅陀海峽，到不列顛和錫利群島換取錫材。后來，古波利尼西亞人還駕著獨(dú)木舟橫過汪洋，到其他小島定居。他們通常都是沿著海岸航行，并通過山頭、島嶼、海岸、特殊物標(biāo)等陸標(biāo)及航跡來推斷自身船位，晚間則靠岸停泊。一直到中世紀(jì)，地中海的商船大多還是沿岸航行。因?yàn)樵谕灰婈懙氐暮Ｃ嫔希绕涫窃谔鞖馇闆r不良時，人們很難確定船位及方向。迪亞士、達(dá)伽馬等航海家在探索新航路時也往往選擇沿著岸邊航行，以保證船隊(duì)安全并相對準(zhǔn)確地記錄航線。

隨著人類對自然認(rèn)識的不斷深入，觀察天象逐漸成了更好的導(dǎo)航方式之一。

古人很早便知道了太陽東升西落的規(guī)律，于是懂得根據(jù)太陽的方位辨別方向。然而，到了夜晚又該如何辨別呢？《詩經(jīng)》中說：“東有啟明，西有長庚。”這說明，先人很早時就懂得通過識別天上的星辰來辨別方向，即使在黑夜中也不會迷路。這就是天文導(dǎo)航。

恒星的位置相對穩(wěn)定，其中最著名的屬北斗七星。比如西漢劉安編撰的《淮南子》中提到，“夫乘舟而惑者，不知東西，見斗極則悟矣”。就是說，人們在水路上迷路時，看見北斗星，就能分辨方向了。還有“并乎滄海者，必仰辰極以得反”，意思是抬頭看到北斗就知道如何返回，這是古代北斗七星用于導(dǎo)航定位的證明。北極星是北天極附近的一顆亮星，從北半球上看，它的位置幾乎不變。在氣象條件良好時，早期的航海者可以通過白天觀測太陽、夜晚觀測北極星位置來判斷方向。在沒有衛(wèi)星導(dǎo)航的日子，我們的先祖已經(jīng)運(yùn)用北斗七星來建立時空基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位和授時功能。我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)起名“北斗”，也是由此而來。

2.“過洋牽星”

不過，依靠自然界的事物進(jìn)行導(dǎo)航存在很大的不確定性，離開官道來到荒郊野嶺，又或遭遇陰雨大霧天氣，觀星辨位無法奏效，就需要依靠人造的導(dǎo)航工具了。

相傳，黃帝與蚩尤在涿鹿交戰(zhàn)，因蚩尤制造濃霧，導(dǎo)致對方一行人迷失了方向。于是，黃帝組織人力，研究制造出指南車，最終大獲全勝。這個故事雖是傳說，但說明先人發(fā)明和使用指南車已有很悠久的歷史了。指南車沒有使用磁石，而是利用齒輪的工作原理制作而成。由于體積大且制作難度高，所以指南車逐漸失傳。不過，后世曾有科學(xué)家根據(jù)歷史記載復(fù)原過指南車。

作為指南針的前身，最早的司南大致出現(xiàn)在戰(zhàn)國時期，當(dāng)時戰(zhàn)事頻繁，導(dǎo)航技術(shù)隨之迅速發(fā)展。據(jù)考古學(xué)家推測，司南是用天然磁石磨制而成的。史學(xué)家曾根據(jù)古籍中“司南之杓，投之于地，其柢指南”的記載，考證并復(fù)原了勺形的指南器具：磁石的南極磨成長柄，放在青銅制成的光滑如鏡的底盤上，再鑄上方向性的刻紋。這個磁勺在底盤上停止轉(zhuǎn)動時，勺柄指的方向就是正南，勺口指的方向就是正北，這就是傳統(tǒng)認(rèn)為的世界上最早的磁性指南儀器——司南。

到了宋代，人們發(fā)明了用人工磁化的方法制成可以指示南北的工具，即指南魚。指南魚是把薄鐵片剪成魚形，然后將“魚”和天然磁石放在一起，通過磁場磁化使其帶有磁性。使用時，只需有一碗水，再將“魚”浮于水面，就能指南。當(dāng)時的人工磁化方法，是一項(xiàng)重要的發(fā)明，它對指南針的發(fā)明和磁學(xué)的發(fā)展都具有重大意義。

經(jīng)過長期的改進(jìn)，人們又把鋼針在天然磁鐵上磨擦，鋼針在地磁作用下保持指南性能，此后將其裝置在方位盤上，就稱為羅盤。這是指南針發(fā)展史上的一大飛躍。北宋科學(xué)家沈括在《夢溪筆談》中記述：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。”此“偏東”，是指磁偏角，這在當(dāng)時是一個重大發(fā)現(xiàn)，歐洲直到13世紀(jì)才知道磁針有偏角。

目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)的世界航海史上最早使用指南針的記錄，來自北宋朱彧所著的《萍州可談》：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針，或以繩鉤取海底泥，嗅之便知所至。”他是根據(jù)父親朱服在廣州做知州時的所見所聞而寫。根據(jù)現(xiàn)代學(xué)者的研究，我國最初的指南針采用的是水浮法。后來，水浮法指南針被稱為“水羅盤”，即把磁化了的鐵針穿過燈芯草，浮在水上，利用磁針浮在水上轉(zhuǎn)動來指引方向。把指南浮針與方位盤結(jié)合在一起，就成了水羅盤。南宋吳自牧的《夢梁采》記載：航海行船“風(fēng)雨冥晦時，惟憑針盤而行。乃火長執(zhí)之，毫厘不敢差誤，蓋一舟人命所系也，全憑南針，或有少差，即葬身魚腹”。可見，南宋以后，海上行船主要依靠指南針來導(dǎo)航，且船上還有專人負(fù)責(zé)守著，不斷修正航向。

有了指南針的導(dǎo)航，宋朝的航海業(yè)如虎添翼，讓全天候航行以及跨洋成為可能。12世紀(jì)，船用指南針從我國傳至阿拉伯，再到歐洲。13世紀(jì)后期，指南針在歐洲的航海中逐漸被廣泛應(yīng)用，“水羅盤”也被升級改造為“旱羅盤”，在航行時的準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步提高。

即便分清方向,但若無法精確定位，在茫茫大海中也很容易迷失。于是，聰明的古人學(xué)會了通過水平線測量星體高度，從而判斷出船舶在海上所處的位置，這就是“過洋牽星術(shù)”。這種技術(shù)會運(yùn)用到一種叫牽星板的工具，它由12塊大小不一的方形木板和一條貫穿所有木板中心的長繩構(gòu)成。利用牽星板可以測量出星辰的高度指數(shù)，從而測出船只的具體航向。可以說，過洋牽星術(shù)在古代算得上是最高端的導(dǎo)航技術(shù)了。明代航海家鄭和率領(lǐng)船隊(duì)七次遠(yuǎn)航，行至西太平洋和印度洋的30多個國家和地區(qū)。這種天文航海技術(shù)為鄭和船隊(duì)的跨洋航行提供了重要支撐。《鄭和航海圖》中的“過洋牽星圖”詳細(xì)記載了不同船位時各觀測星體的高度，并在圖中畫出了星體的位置與形狀。在遠(yuǎn)離陸地的印度洋上，通過“觀日月升墜，以辨東西，星斗高低，度量遠(yuǎn)近”得到了“牽星為準(zhǔn)，所實(shí)無差，保得無虞”的航海導(dǎo)航效果。

此后在漫長的航海史中，人類還發(fā)明了各種各樣的天文觀測儀器，最著名的就是“六分儀”。用該儀器對準(zhǔn)太陽或者星星，通過一定的計(jì)算就可以確認(rèn)自己在大海上的位置。這種測量精度算不上高，但在沒有無線電技術(shù)的年代，六分儀算是最可靠的導(dǎo)航手段了。

在地球上，定位需要兩個坐標(biāo)，即緯度和經(jīng)度。長期以來，人們通過上述工具與方法可以較為便捷地判斷大致方向與緯度，然而如何測量、測準(zhǔn)經(jīng)度才是真正的難題。18世紀(jì)，因?yàn)橛＼娨淮螄?yán)重的海難，喚起了英國對經(jīng)度測量的關(guān)注。英國政府頒布了《經(jīng)度法案》，以法律的名義宣布：任何人只要能找出在海上測量經(jīng)度的方法，誤差在半度以內(nèi)的獎勵2萬英鎊。想拿到這筆巨獎并不容易，因?yàn)榉ò敢蠛胶?0天經(jīng)度不能差半度，也就是24小時內(nèi)不能差3秒。在劇烈晃動且溫度、濕度皆變化無常的海上，要保持計(jì)時裝置的正常運(yùn)作非常困難。

經(jīng)過近30年的嘗試，鐘表匠約翰·哈里森終于在1759年制造出航海鐘，拿到這筆獎金。他發(fā)明出現(xiàn)代意義上的計(jì)時器，利用航海鐘精確走時解決了測定經(jīng)度的問題。船長可以通過速度方向時間的計(jì)算，來確定自己在海上向哪個方向走了多遠(yuǎn)。更精準(zhǔn)的時間，從此使人們可以通過確定地球的經(jīng)度進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)時的英國就是憑借在航海鐘上的領(lǐng)先地位，建立起高效的海軍，確立了海上霸主的地位。航海鐘也是GPS出現(xiàn)之前，人們用來航海導(dǎo)航最精密的授時工具。

3.無線電引路

1903年，萊特兄弟制造的第一架飛機(jī)在美國北卡羅萊納州試飛成功，自此，飛機(jī)成為一種重要的遠(yuǎn)程交通工具。在發(fā)展初期，飛機(jī)沒有任何導(dǎo)航設(shè)備，完全靠飛行員的雙眼尋找地標(biāo)作為參照物，航線基本是沿著山脈或河流前行。

為了給飛行員導(dǎo)航，美國上世紀(jì)20年代曾出資修建了“飛機(jī)路標(biāo)”，每個箭頭長達(dá)20多米，均被刷成亮眼的黃色，上面還配有一個15米的高塔，塔頂有一盞燃?xì)鉄簟Ｓ辛诉@種橫跨全國的標(biāo)識，飛行員從高處很遠(yuǎn)就可以看到。目視飛行作為核心導(dǎo)航一直使用了很多年，即使在現(xiàn)在，這種目視導(dǎo)航規(guī)則依然在一定范圍內(nèi)沿用。

19世紀(jì)末，人類發(fā)明了無線電技術(shù)，無線電導(dǎo)航技術(shù)隨之問世。通過無線電的中繼功能，不斷從地面給飛機(jī)發(fā)信號，為其引路。這種傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式就像茫茫大海中的燈塔，不停地向周邊空間發(fā)射信號，飛機(jī)接收到這些信號后可以獲得各種信息，使飛行員在萬米高空中確定自己的位置，從一個信標(biāo)臺飛向下一個信標(biāo)臺，直至安全到達(dá)目的地。不過無線電導(dǎo)航也有缺點(diǎn)，它更多的是依賴于地面導(dǎo)航臺的信號指示，距離遠(yuǎn)近、信號強(qiáng)弱都會造成干擾。

1937年，雷達(dá)開始在艦船上用作導(dǎo)航手段。第二次世界大戰(zhàn)中后期，陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，通過測量無線電導(dǎo)航臺發(fā)射的信號，可以確定運(yùn)動載體相對于導(dǎo)航臺的方位、距離、距離差等幾何參量，從而確定運(yùn)動載體與導(dǎo)航臺之間的相對位置關(guān)系，據(jù)此對運(yùn)動載體進(jìn)行定位、導(dǎo)航和授時。相比大航海時代，這時的導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)有了很大程度上的飛躍，定位精度大約一二百米，覆蓋范圍千余公里。導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，也從陸地、海洋走向了天空。至今，仍然有很多無線電導(dǎo)航技術(shù)作為主要或輔助手段在使用。

第二次世界大戰(zhàn)期間，納粹德國夜間空襲了英國，盡管無法看到目標(biāo)，但德機(jī)仍成功轟炸目標(biāo)，而無線電導(dǎo)航系統(tǒng)就是當(dāng)時德國意圖摧毀英國的秘密武器。在此之前，飛行員在夜晚的行動中幾乎無法準(zhǔn)確轟炸，有時甚至找不到正確的城市或國家。如在1940年，英國皇家空軍的一架轟炸機(jī)在執(zhí)行襲擊荷蘭機(jī)場任務(wù)時，由于在風(fēng)暴中迷路，又缺少有效導(dǎo)航系統(tǒng)，最終轟炸了位于英格蘭南部的自家空軍基地。意識到德軍通過使用無線電導(dǎo)航技術(shù)提高夜間轟炸精度后，英國空軍馬上采取對策，對德軍的無線電導(dǎo)航信號有意進(jìn)行錯誤轉(zhuǎn)發(fā)或強(qiáng)力干擾，誘使其將大量炸彈投到了無人地帶，甚至釋放假冒波束，讓德機(jī)誤入英格蘭北部高地，繼而撞上山峰而墜毀。德國空軍因此損失了大量優(yōu)秀飛行員，最終不得不放棄。因此，有軍事愛好者將這次戰(zhàn)役稱為“無線電導(dǎo)航之戰(zhàn)”。

4.衛(wèi)星出馬

近現(xiàn)代時期，軍事應(yīng)用仍然在推動導(dǎo)航技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

1957年，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克”時，美國科學(xué)家一直在跟蹤觀測，他們發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星信號的多普勒頻移曲線與衛(wèi)星的運(yùn)動軌跡之間存在著十分密切的聯(lián)系。所謂多普勒頻移，就是在無線電信號發(fā)射源接近接收機(jī)的時候，收到的信號頻率逐漸升高；反之，則頻率逐漸降低。如果在一個已知位置的點(diǎn)上測量頻移，就能夠知道衛(wèi)星的精確軌道。而反過來，如果知道了衛(wèi)星的精確軌道，通過測量頻移就可以推算出觀測站的地理位置。這個重大發(fā)現(xiàn)刺激了美國軍方，當(dāng)時正值該國海軍導(dǎo)彈核潛艇發(fā)展初期，核潛艇如何知道自己的精確位置是個難題。1958年，美國軍方啟動了“子午儀”衛(wèi)星計(jì)劃，用上述原理來實(shí)現(xiàn)核潛艇的導(dǎo)航。1960年4月，美國成功發(fā)射了世界上第一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“子午儀”，隨后應(yīng)用于海軍。子午儀一共有36顆衛(wèi)星，一直運(yùn)行到1996年，后來完全被全球定位系統(tǒng)（GPS）所取代。“子午儀”系統(tǒng)的成功應(yīng)用，在美國海陸空三軍中掀起了衛(wèi)星導(dǎo)航熱，為后續(xù)的GPS建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。1973年，美國啟動GPS計(jì)劃，1995年達(dá)到完全運(yùn)行能力，標(biāo)志著一個革命性的全新導(dǎo)航時代的到來。GPS系統(tǒng)用24顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了全球性覆蓋和全天候服務(wù)，可實(shí)時動態(tài)地提供十米級至厘米級的定位、導(dǎo)航和授時一體化服務(wù)。目前，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，除美國的GPS外，還有俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略和中國的北斗。除了北斗系統(tǒng)之外，其他三個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都由24顆中圓軌道衛(wèi)星組成，平均分布在6個軌道面上，每個軌道面4顆。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。北斗三號系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，采用混合星座體制，除了和其他系統(tǒng)一樣有24顆中圓軌道衛(wèi)星以外，還有三顆同步軌道衛(wèi)星和三顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。目前，北斗三號系統(tǒng)提供的全球定位精度優(yōu)于10米，測速精度優(yōu)于每秒0.2米，授時精度優(yōu)于20納秒，和GPS等系統(tǒng)的服務(wù)能力相當(dāng)，在亞太地區(qū)性能更優(yōu)。

在導(dǎo)航出現(xiàn)以前，走錯路是家常便飯，憑借記憶尋找目的地難度極大。自從手機(jī)導(dǎo)航出現(xiàn)后，迷路的問題迎刃而解，讓說走就走的旅行成為現(xiàn)實(shí)。

（部分資料來源于北京合眾思壯科技股份有限公司北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用博物館）

關(guān)鍵詞：