一本書，看全球定位系統如何誕生！精確，永無極限

全球定位系統的誕生

有一項技術的誕生，最終將取代臺卡、羅蘭(Loran)、吉奧(Geo)、子午儀(Transit)、馬賽克(Mosaic)等專有無線電導航系統以及六分儀、羅盤、天文鐘等幾個世紀以來海員們用於定位的各種導航設備。

毫無疑問，這項技術就是全球定位系統。它的基本原理是在另一項技術的發展中意外誕生的。那是1957年10月7日，週一，威廉·吉爾 (William Guier)和喬治·韋芬巴赫(George Weiffenbach)這兩位年輕科學家來到約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室，他們和所有美國科學家一樣被這樣一個事實所吸引：人類歷史上第一次有一顆人造衛星正在繞地球運行。

那就是人造地球衛星“斯普特尼克號”（Sputnik）。吉爾和韋芬巴赫都是計算機專家，他們最近在做的工作分別是氫彈模擬和微波光譜研究。他們認為，或許可以通過記錄並分析那些無線電信號，來確定斯普特尼克號的確切位置。

因此，他們將實驗室裡的專用無線電接收機調到斯普特尼克號衛星的頻率上，專注地傾聽並用高保真磁帶錄放機錄製衛星信號有規律的振動聲。然後，他們分析了衛星無線電信號的頻率，結果發現，正如他們所猜想的那樣，隨著斯普特尼克號衛星從地平線上升起，然後直接從巴爾的摩實驗室上空經過，最後再次落到地平線下，信號的頻率在這個過程中發生了輕微的變化。他們觀察到的這種頻率變化即為多普勒效應。有史以來第一次，這兩位物理學家證明了衛星信號的頻率變化既可檢測又可測量。

他們的應用物理實驗室裡有一臺全新的雷明頓通用自動計算機（Remington UNIVAC），那是當時功能最強大的計算機。此後不久，兩人便利用這臺計算機將衛星信號數字化，然後根據現已轉換成數字的不同頻率相當精確地計算出斯普特尼克號在各條軌道上的位置。斯普特尼克號在他們正上方時的頻率是信號的真實頻率；由斯普特尼克號繞地球一圈所需的時間可知其運行時速約為28 800千米。因此，以真實的頻率為基準，根據信號頻率的相應變化可以計算出斯普特尼克號在靠近和遠離他們的過程中所處的位置。

這一運算耗費了數週，併產生了深遠的影響。後來在美國加入太空競賽時，他們也成功地將其應用於“探險者1號”（Explorer I）的軌道預測。次年3月，應用物理實驗室主任弗蘭克·麥克盧爾（Frank McClure）意識到，他這兩位年輕的同事無意中發現了一種可以在全球範圍內使用的應用程序。

他們後來才意識到這樣的推論：無論是船隻、卡車、火車還是普通平民，無論是移動的還是靜止的，基於這一簡單多普勒原理設計的衛星導航系統都可以代替海員們在過去幾個世紀裡使用過的六分儀、羅盤、天文鐘以及當下正在使用的羅蘭、臺卡、奇（Geo）等導航系統。它不僅可以確定他們所在的位置，還可以告訴他們要朝哪個方向走才能到達他們想去的地方。他們的工作為一種相對簡單且有可能相當準確的導航系統奠定了基礎。

確實相當準確。巴爾的摩應用物理實驗室的研究經費很多都是來自美國海軍，後者進行了一些粗略的計算，然後提出了這樣一個概念，即在擁有大量衛星的前提下，對人或物的定位或許可以精確到0.5英里以內，比如對船隻或潛艇的定位。

當時，美國海軍正在尋找一種安全可靠且準確的方法來定位裝備“北極星”導彈的核潛艇艦隊，因此，被稱為“子午儀”的多普勒衛星導航系統就這樣應運而生了（見圖8-1）。1960年，一顆原型衛星被成功送入軌道。此時距離麥克盧爾書寫那份著名的備忘錄才不過6年（也就是斯普特尼克號發射3年後），美國海軍的“子午儀號”衛星編隊就開始繞地球運行，第一個真正的衛星導航系統開始全面投入使用。

多普勒衛星導航系統

注：該衛星於20世紀50年代和60年代由美國海軍發射，通過多普勒衛星導航系統定位美國戰略核潛艇，精確度為300英尺。子午儀系統被認為是世界上第一個實用的衛星導航系統，該系統最終促使了現代全球定位系統的誕生。

後來，由15顆衛星構成的系統建成了。雖然該系統效率低下，在早期每隔幾小時才可用一次，但它確實讓美國海軍船隻在任何天氣情況下都能隨時隨地進行比較準確的定位。

通過在15分鐘內跟蹤一顆經過的衛星，船隻可以確定自身所在的位置，精確度為300英尺。據說，美國海軍搭載“北極星”彈道導彈的戰略核潛艇在進行定位時能夠精確到60英尺以內，因為他們可以使用相關軟件的高度機密增強版，即給出衛星正確軌道的信號接收軟件。

子午儀系統顯然要比臺卡、羅蘭等無線電導航系統強大許多，而且經受了考驗，直到1996年才停止使用，服役時間長達30多年。該系統於1967年對商船開放，在其鼎盛時期，多達8萬艘非海軍船隻使用該系統。正如一位項目經理所說：“這是自船用天文鐘問世以來在導航方面邁出的最大的一步。”

世界發展越來越快，核武器越來越危險，敵人越來越狡猾，關鍵基礎設施的要求越來越高。600英尺、300英尺、200英尺、60英尺等誤差先後被海軍稱為“高精確度”，現在顯然已名不副實。此外，每小時只能進行一次定位，而且評估時間長達15分鐘。評估過程由一小批海軍人員在地面站通過成排的計算機完成，無論他們受過多麼良好的訓練，都難免出現人為誤差。

新的世界秩序需要更好、更快、更可靠、更安全和更精確的導航系統。基於多普勒頻移的導航系統也很好、很可靠。然而，大環境在更新提速，變得更具威脅性，面對這樣的技術現實，多普勒導航系統顯然無法應對。

1973年，美國佛蒙特州一位鄉村醫生的兒子羅傑·伊斯頓（Roger Easton）提出了一種很明顯可以應對當前形勢的系統。該系統涉及時間問題以及計時用的時鐘問題，所涉及的物理原理實際只是被動測距（passive ranging），本質上非常簡單。

羅傑·伊斯頓(左三)

注：多年來偶爾發生的黨派之爭最終導致出生於美國佛蒙特州的伊斯頓被公認為全球定位系統的發明者，當時他在華盛頓特區的美國海軍研究實驗室工作。

假設有兩個十分可靠的時鐘，它們顯示的時間完全相同。再假設其中一個時鐘在倫敦，另一個在底特律，兩個時鐘都通過視頻流連接，都在Skype、FaceTime或WhatsApp等社交軟件上顯示。在這個場景中，我們完全相信兩個計時器的精確度和準確度，而且十分確定它們設置的時間相同，因此顯示的時間也是相同的。

如果兩位觀察者分別去觀察各自所在房間裡的時鐘，他們看到的時間顯然是相同的。但是，如果身在倫敦的觀察者通過視頻去觀察底特律的時鐘，就會發現細微的差別：與放在他旁邊的時鐘相比，底特律的時鐘似乎慢了零點幾秒，差不多正好是0.02秒。不過，他很確定實際上兩個時鐘顯示的時間是一樣的，同時也知道兩者之間的信號速度即光速，是一個常量。因此，這種差異必然是由這個場景中的唯一未知的變量造成的，而這個未知的變量顯然就是信號從底特律傳到倫敦必須經過的距離。

伊斯頓立即設計了一個簡單的實驗，並邀請了幾位高級海軍軍官同事前來觀察。他製作了兩個這樣的裝置。他把其中一個放在一輛敞篷車的後備箱裡，那輛車的主人是他的一位工程師朋友，名叫馬特·馬盧夫（Matt Maloof）；另一個則放在得克薩斯州南部的海軍基地，也就是他工作的地方。伊斯頓讓觀察者們看著他在實驗室裡連接好的示波器屏幕，同時讓馬盧夫以最快的速度沿著得克薩斯州295號公路開到最遠的地方。這條公路當時還沒有竣工，因此空無一人。在馬盧夫迅速駛離的過程中，車上的發射機一直在不停地向外發送信號，而總部的辦公室裡有一個振盪器在接收這些信號。該振盪器的頻率和發射機的頻率完全一樣。

隨著汽車離辦公室越來越遠，兩個數字之間的差值也越來越大，而這都是由距離的差異造成的，因為其他所有因素都是恆定的，這些因素包括兩個設備的頻率和信號傳輸的速度，即光速。海軍軍官們看得入了迷。隨著計算結果出爐，他們幾乎立刻就能知道馬盧夫的車離辦公室有多遠、開得有多快以及何時改變了方向。當馬盧夫在幾十千米以外的地方換車道時，這一數字發生了明顯的變化。見到這一幕，他們深感欽佩，驚訝之情溢於言表。這次演示取得了圓滿成功，原則上證明了鐘差導航系統是可行的，而且遠比人們想象的簡單。

美國海軍立即撥款進行深入研究，只是這筆款項數額極小，無法支持發射衛星，也就無法在軍方偏愛的真實環境中進行測試。與此同時，美國各地的實驗室也在不斷提出其他定位方法。軍方技術、人員和部門矛盾紛爭不斷，從事後看來，儼然就是一場多普勒系統和鐘差系統的生死對決。直到今天，伊斯頓的支持者和布拉德福德·帕金森（Bradford Parkinson）的支持者之間還存在許多不友好的爭論。

布拉德福德·帕金森

注：帕金森曾與伊斯頓競爭全球定位系統的發明者這一身份，此外還以所謂的自動化戰場研究而聞名。他對全球定位系統的設想在很大程度上傾向於軍用，而伊斯頓則頗富詩意地認為該系統自然而然地繼承了哈里森於18世紀對經度和高精確度時鐘的研究。

不過，鐘差系統最終勝出。1973年，美國空軍取得了部分勝利，從該計劃的海軍發起者手中奪取了運作控制權，開始了這個衛星系統的建設。該系統為導航星全球定位系統的核心，而導航星全球定位系統在後來被簡化為了現在人們所熟悉的全球定位系統。伊斯頓則摘得了桂冠：他被授予美國國家技術獎章以及其他多項榮譽，包括以該系統的主要發明者的身份入選美國國家發明家名人堂。

這個提議中的系統存在大量的技術問題。為了解決這些問題，多顆衛星被分批發射，成組送入太空，形成覆蓋全球的衛星組合。1978年至1985年，01組10顆衛星被成功送入軌道。全球定位系統於1978年2月正式啟用，不過最初僅供美國軍方使用，現在完全向平民開放，幾乎沒有任何限制。這些衛星共同形成了全球定位系統的運作支柱，而這一系統對每個人來說都是必不可少的公益系統，由美國政府免費提供。

自20世紀80年代開始，中國也開始探索發展自己的衛星導航系統，即北斗衛星導航系統。於2000年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務。2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020年，建成北斗三號系統，向全球提供服務。北斗衛星導航系統（BDS）和美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐盟伽利略衛星導航系統（GALILEO），是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。

如今，全球定位系統遠不止是引導船隻安全入港或在高峰時刻於街道上駕車穿行。移動電話通信、農業、考古學、構造學、救災、製圖、機器人學、天文學等凡是需要知道時間和位置的人類活動，幾乎會隨著用作導航的信息越來越精確而得到改進。

全球定位系統領域的躍升是全球個人、企業、國家共同努力的成果。對於當下時代精密製造的持續發展，追求極致精確、極致精益，不僅是一種產品質量觀，更是一種關乎企業存亡乃至國家興衰的哲學觀，對邁向製造強國的中國意義重大，期待有更多正在和即將發生的中國精確故事。

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