新·知丨定位发展-从“北斗”到北斗

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人类最早的困惑源于为什么太阳从是从一个方向升起，又总在一个方向落下；直到我们的祖先发现了磁石，匠人们把磁石打磨凿雕成一个勺形，放在青铜制成的光滑如镜的底盘上，再铸上方向性的刻纹。这个磁勺在底盘上停止转动时，勺柄指的方向就是正南，勺口指的方向就是正北，这就是我国祖先发明的世界上最早的指示方向的仪器，叫做司南。从此我们也对方向有了明确的认识。

《鬼谷子·谋篇》：“故郑人之取玉也，载司南之车，为其不惑也。”虽鬼谷子成书时间不详，但从内容看至少在战国时期就已经将司南就已经当“导航”使用了。

图为：司南原型示意

方向之外，我们的古人还发明了“牵星术”， 它是一种利用星星进行导航的航海技术，一句话概括，就是一种测量所在地纬度的技术。

通过计算一块木板与北极星之间的夹角来确定方位并应用于航海，关于牵星术的明确记载，始见于《周髀算经》，该书有可能定型于战国时代，也有人认为其成书于西汉。“牵星术”可以称为千年之前的GPS导航。

图为：牵星术方法示意

而牵星术中所提到的“北极星”也是古人确认方位和认识宇宙的重要元素，我们所谓的北极星，都没有真正处于北极，只是距离北极最近的亮星。古人要找到北极，必须通过测量其它星来推定北极的位置。与此同时，古人通过“北斗七星”与北极星的关联，可以快速找到北极星的位置，因为北斗七星在夜空中辨识度极高。

图为：北斗七星示意

但古人对天文的研究远远不止于利用北极星这么简单，因为当时并没有当今这样的时间和空间的理论和单位，古人们是把时间的周期和星辰的位置进行对应，类似西方的星座学说，中国古代也在黄道面上根据星辰分布定义了“三垣四象二十八宿”，同时在相关历法的标准下进行生产劳作，可以说天文在古代不光用来辨别方位和导航，更是指导生产的依据，所以古人则是名副其实的靠天吃饭。

02

中国的指南针约在公元12世纪末到13世纪初由海路传入阿拉伯，然后再由阿拉伯传入欧洲。而随着西方造船业、地理等相关学科的不断进步，开始走向大航海时代，而其中不断诞生出更好的定位仪器。

它是西方根据中国的指南针而完善的，航海家们可以用它实时了解自己的航行方向，这样只要测出船速，再测出航行的时间，就可以计算出自己的新位置。虽然误差比较大，但这已经解决了一个大问题，最起码航海家们可以脱离海岸线行驶了。热那亚人哥伦布指挥三艘帆船于1492年深入大西洋往西航行，最终发现西印度群岛，其中最重要的航海装备就是他的磁罗盘。

图为：磁罗盘

1707年英国海军司令克劳迪斯里·肖维尔爵士（SirCloudesley Shovell）由于定位错误，率领整个舰队大摇大摆地闯入暗礁区，结果4艘军舰触礁沉没，至少1600名水兵丧命。1714年7月，英国议会决定重金奖赏那些找到办法能在地球赤道上将经度确定到半度范围内的人。当时的科学家和发明家发明了一种可以专门用于角度测量的光学仪器-六分仪，它可以测量天体与海/地平线或天体与天体之间的夹角。测出夹角，再查得当天太阳直射点的纬度，就能确定观测者所在的纬度。这对航海有重大意义。自18世纪面世以来，六分仪一直是重要的定位和导航工具。

图为：六分仪

航海者用六分仪精确测量月亮和某些恒星的角距离，再把观测到的数据校正视差和大气折射后，归算到地心坐标，随后查航海用的天文年历，计算出月亮和选定恒星之间为所测量距离时的格林尼治时间，最后利用六分仪观察太阳或特定恒星的高度，确定本地时间，从而得到与格林尼治时间的时间差，这也是当时所说的月距法。而地图标注旗下的六分科技（主营高精度定位业务）的名字正是来源于此。

月距法差不多用了快100年，直到十九世纪中叶才逐渐退出航海界。因为它受天气以及月亮运动的影响过大，所以有着明显的弊端。后来有科学家认为，既然是需要知道本地时间和格林尼治时间之间的时间差，制造一块走时准确的钟表，把它和格林尼治时间校准之后，任你带到全世界各地去，这样你只需要测出本地时间就马上能得出时间差并算出本地的经度，也就能推算相应位置。

这种时空转换的思路给了很多科学家以思路，并在设备上不断进化，如15世纪，螺旋弹簧的发明（蚊盘游丝）和发条装置的应用使机械钟摆脱了笨重的重锤，成为小巧精致的工具。现在的机械钟表中普遍使用的游丝，就是惠更斯在螺旋弹簧的基础上研究出来的。

如今摆轮游丝已经是高级腕表的核心工艺

03

飞机问世后，交通工具的进步也给导航带来了新的问题。最开始飞行员们和早期航海者一样采用目视地标导航，在缺乏明显地貌特征的地方采用航迹推测导航，不过飞行员们很快就发现了一种新的导航方式：无线电导航。

图为：无线电罗盘

早在19世纪末，人类就开始尝试利用电磁波进行无线通信。到20世纪20年代，大功率无线电电台已经遍地开花了，在飞行员眼里，这些无线电广播信号发射源就像航海家眼里的灯塔一样，能够给他们指示必要的方向。到了1932年，专用的无线电罗盘已经设计并安装在飞机上了，它能够测量无线电台（无线电信标）相对飞机的方位角，综合多个电台的方位角就可以在航空地图上标出飞机的位置了。

当时，我国电子工业基础极为薄弱，尽管如此，从上世纪60年代开始到90年代，我国科研人员完成了“长河一号”无线电导航系统，的建成使用到关闭。70年代开始建设中远程导航系统“长河二号”，覆盖我国黄海、东海和南海等海域。此外，我国从1973年开始也研制 “长河三号”，以及海军专用的“长河四号”长波导航系统。

图为：长河一号导航台发射机房

这些无线电导航系统的成功研制，为我国日后开展卫星导航工作打下了坚实的基础。不仅如此，长河二号导航台经过改造，还可以配合我国的导航卫星系统进行差分增强，可以大幅度提高定位的精确度。

1957年10月4日苏联发射了第一颗人造地球卫星——“伴星一号”，随后就发生了以登陆月球为目标的美苏登月竞赛。运载火箭和卫星需要导航定位，特别是登月飞船，离开导航技术简直寸步难行。最开始的时候，卫星或飞船需要地面使用雷达来跟踪和定位，在阿波罗计划实施的时候，为了简化船载无线电设备的设计，美国NASA的通信工程师用一个集成的通信、跟踪系统来实现地面与阿波罗飞船的通信、遥测和测距功能，这个系统后来被命名为“统一S波段”系统。它时时刻刻向飞船发射信号，这个信号里包含了测距码，飞船收到信号后，会把测距码再发射回地面，地面根据发射和接收之间的时间差计算飞船的距离，定位精度约15米。

图为：阿波罗登月舱内使用的部分无线电设备

苏联第一颗人造卫星上天后，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的科学家尝试跟踪这颗卫星发射的无线电信号，他们在接收的信号现了多普勒频移效应：当卫星飞近地面接收机时，它发出的无线电信号的频率升高；而中发当它远离地面接收机时，信号的频率会下降。

这种效应最早是1842年由奥地利物理学家多普勒发现的，广泛存在于自然界。美国人意识到，知道了地面站的位置可以通过这种效应推算出卫星的轨道，反过来如果知道卫星的精确轨道，也可以利用这种效应计算出地面接收站的位置。

美国于1967年7月建成“子午仪”卫星导航系统，并开放民用。整个系统由6颗卫星组成，用户每90分钟可以利用卫星定位一次，单频的约80到100米左右，双频的可提高至15到25米。

而后1973年研制了GPS，GPS的定位原理和子午仪系统不同，从而能够解决子午仪系统存在的各种严重缺陷：GPS卫星不停地向地球广播带测距码的无线电导航信号，接收机收到导航信号后，可以从中得知信号从卫星到接收机走过的时间，据此可以计算出它与导航卫星的距离。

美国的老对手苏联在1976年也开始建设全球导航卫星系统——格洛纳斯（GLONASS）以及欧盟建立的“伽利略”全球导航卫星系统，在此前文章都有提过，在这里不过多赘述。

中国搞导航卫星的历史，最早可以追溯到1967年。这一年人民海军提出来要搞导航卫星的建议，而当时中国甚至还没有成功发射人造卫星。这个项目代号“691工程”，又称“灯塔一号”计划，定位原理类似于美国当时在搞的“子午仪”，1970年完成论证，1972年到1979年，完成了第一批样星的模装和试验，但未及发射，就于1980年项目暂停。

1983年，无线电专家陈芳允提出用两颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想，这成为“北斗一号”双星导航系统的理论基础。而后在2000年10月，北斗一号导航系统首颗卫星送入轨道，12月21日，第二颗卫星入轨，系统建成（2003年5月发射了一颗备份星，2007年2月发射了一颗接续卫星）。2012年12月，北斗1号完成使命，正式退役。

图为：北斗卫星分布

时至今日，我们也已经从第二代卫星导航系统发展到第三代卫星导航系统——北斗三号，它的建设启动于2009年，从2015年起陆续发射了5颗北斗三号试验卫星，验证并突破了一些关键技术，此后从2017年11月开始到2020年6月收官，短短两年半时间密集发射了30颗工作卫星，其中地球静止轨道3颗，倾斜同步轨道3颗（倾角55°），中轨卫星轨道24颗（均匀分布在倾角为55°的三个轨道面上）。在全球范围内可以提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信和国际搜救服务，民用定位精度优于10米，在亚太地区还可以提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务，民用定位精度优于5米。

结语

我们从“北斗七星”寻找北极星开始，经历了岁月更迭，再回到“北斗”卫星；这似乎是一个轮回，但却是我们不断的对外界探索的旁证。在这个时代的浪潮中，地图标注旗下六分科技也在不断地探索、突破和迭代自身能力，已可以为用户提供可靠的高精度定位解决方案，提供从分米级、厘米级到毫米级的定位精度。

“定位”的发展也是我们不断了解自己身处环境的过程，但这显然并不是人类活动范围的终点。目前人类已经向太阳系内发射了很多无人探测器，可能将来有一天也会发射有人的探测飞船，飞出太阳系，进行星际航行，那未来我们就要定位于太空，导航于星际。

未来总是充满幻想和期待的，每当这些幻想成真，我们也总是会回顾前人的成就，就像文中提到这那些技术和仪器，在惊叹前人的智慧和想象的同时，我们希望大家能够跟随时间的脉络了解这中间的精彩，心怀敬畏才能不负未来。

这也是我们这篇文章的初衷。谢谢观赏。