古代導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)有多重要呢？

中國古代四大發(fā)明就有一件導(dǎo)航儀器叫——指南針。

相傳四千六百多年前，軒轅氏和蚩(chī)尤在張家口郊區(qū)的涿(zhuō)鹿干仗，軒轅氏大軍憑著司南車沖出蚩尤召喚的大霧，滅了蚩尤，統(tǒng)一中原，稱“黃帝”。

見到這一幕，美軍直呼內(nèi)行。1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國海陸空三軍正是用此上帝視角吊打伊軍，裝甲部隊靠著GPS定位（司南車）橫穿伊軍自己都不敢涉足的沙漠無人區(qū)（蚩尤大霧），降維打擊，摧枯拉朽。

在古代，定位與導(dǎo)航技術(shù)往往能關(guān)系到一個國家的興亡。中國古代著名風(fēng)險投資案例“荊軻刺秦王”，講的就是燕國太子丹投資了一個刺殺秦王的項目，打算“死雞撐飯蓋”，讓荊軻拿著燕國督亢地圖（河北涿州/固安、北京房山）和樊於期(wū jī)的人頭兩樣大禮去見秦王。

結(jié)果荊軻被臨場掉鏈子的豬隊友秦武陽坑了一道，自己作為一名刺客還跑不過胖球秦王，飛刀技術(shù)連國產(chǎn)凌凌漆的皮毛都沒學(xué)到，最終浪費樊將軍一顆帥帥的人頭，還把燕國最高軍事機密白送給秦王了。

風(fēng)蕭蕭兮看導(dǎo)航，地圖一去兮不復(fù)還。

除了(1)定向儀器和(2)高精度地圖，古代導(dǎo)航技術(shù)還需要幾個核心因素：(3)計時儀器、(4)測距儀器、(5)測速儀器。

(3) 時間

春秋時期的日晷，我們現(xiàn)在還在用，各大校園喜歡拿來裝飾；西漢的銅漏，通過均勻漏水來計時；北宋的水運儀象臺，現(xiàn)在被稱為世界最早的天文鐘，其擒縱器啟示了我們機械表上的同名機構(gòu)；西方玩機械鐘之后，精準(zhǔn)度一舉超越了東方，后來還有20世紀(jì)70年代的石英革命，以及后文將講到的原子鐘。

水運儀象臺

(4) 距離

測量距離需要度量衡，古埃及人有腕尺，漢代有象牙尺，古英國有英尺（1 foot就是約翰王一個腳印的長度）。真要落到實地計算的話，以中華文明為例，我們用的是“記里鼓車”，把長度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為脈沖信號來計數(shù)。測量距離的方式基本都是這套路，不贅述了。

記里鼓車

(5) 速度

測量速度的原理，就是用距離除以時間，比如古代航海計時可以用沙漏（半分鐘經(jīng)典款），計算距離可以扔一個下方懸吊著鉛塊、被帶節(jié)細(xì)繩牽著的浮標(biāo)下水，計算半分鐘扯出去幾節(jié)，最終得出航速。我們至今計算航速都用“節(jié)”(knot)，就源于“繩結(jié)”(knot)測速法。

說完時間、距離、速度三大要素，這時候就要有請另一個風(fēng)投案例，人類第一成功的風(fēng)投案例——西班牙伊莎貝爾一世投資給哥倫布的三條小船，換來一片新大陸……

這么說吧，哥倫布這哥們數(shù)學(xué)特別不好（此外品德也很遭），把10600海里算成了3550海里，糊里糊涂就帶著87號人出發(fā)了。因為久久不見大陸，船員們不耐煩要返航了，這哥們居然調(diào)了船上的技術(shù)裝置少算點航程，別人非蠢既壞，他又蠢又壞，命運卻點名讓他找到了“印度”，當(dāng)?shù)厝藷o緣無故成了印第安人Indian（印度人 Indian）。

筆者翻譯了一張航行地圖，放在下方：

這么說來，西方文明在15世紀(jì)末異軍突起，還得感謝奧斯曼帝國半世紀(jì)前攻破君士坦丁堡，截斷了西歐諸國與東方貿(mào)易的所有陸路和海陸，西方文明只能在導(dǎo)航技術(shù)如此落伍的前提下，往西去找印度和中國。導(dǎo)航技術(shù)渣到爆的哥倫布，通過一系列失準(zhǔn)得無語的計算，最終成為美洲本土文明的終結(jié)者，奠定了整個西方文明長達(dá)500年的國運上升期。

其實，南太平洋上的波利尼西亞人也是航海高手，這群源于中國華南的古人在5000年前就往南洋走，最終在新西蘭東北的一大片太平洋海域謀生，“用獨木舟征服太平洋”的傳奇就是講他們（下圖是雙船體，類似美國瀕海戰(zhàn)斗艦）。不過波利尼西亞人沒什么科學(xué)的導(dǎo)航技術(shù)，他們靠跟著傍晚回巢的海鳥去找島嶼。

翻譯一下：波利尼西亞人自家沒導(dǎo)航系統(tǒng)，借用了比同期人類文明更先進(jìn)的海鳥導(dǎo)航系統(tǒng)，一舉成為南太平洋的海賊王，實力躺贏。

中華文明發(fā)家早，在秦漢開始用牽星術(shù)，進(jìn)入大航海時代的西歐人則喜歡用航海星盤，后來還有更精準(zhǔn)的鐘表法、月距法，到了18世紀(jì)中期出現(xiàn)六分儀，天文導(dǎo)航和地文導(dǎo)航相結(jié)合，就組建成全球的導(dǎo)航地圖。關(guān)于地文導(dǎo)航還能多說一句，隨船的舵師會將沿岸地勢繪成圖冊，而岸邊建立的燈塔也是一種重要的地理航標(biāo)。

現(xiàn)在不少中小學(xué)都開展了使用指北針的定向越野比賽，更高級的無線電測向越野賽則使用測向機去找小型信號源。這兩種導(dǎo)航方式分別代表了古典與現(xiàn)代。

自動駕駛汽車都少不了雷達(dá)，有毫米波也有超聲波，這些傳感器的職責(zé)是確認(rèn)外界環(huán)境有什么、本車位于環(huán)境中的什么位置。

在正兒八經(jīng)的雷達(dá)問世之前，給航空器定位得靠這種儀器收集航空器的運行噪音：

雷達(dá)Radar一詞的全稱是RAdio Detection And Ranging，意為“無線電探測和測距”，比上圖哥們的大耳機強多了。20世紀(jì)30年代英國建設(shè)起來的無線電測向防御鏈，利用了1865年麥克斯韋提出的“電磁場理論”，以及1997年赫茲證明電磁波存在的實驗成果。如今頻率的國際單位就是Hertz（赫茲），簡寫成Hz。

有了雷達(dá)，我們就可以測量出目標(biāo)與雷達(dá)之間的三維空間關(guān)系，對潛艇、飛行器、車輛進(jìn)行精確定位。

盟軍有雷達(dá)，德軍則有V1巡航導(dǎo)彈。V1的制導(dǎo)系統(tǒng)比較原始，用陀螺儀、空速計、機械計時器、高度儀組成慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，工程師根據(jù)A/B兩地的地圖坐標(biāo)設(shè)定飛行方向和時間， 飛行夠預(yù)定時間后自動切斷油路，導(dǎo)彈失去動力掉下去。

這種慣性導(dǎo)航的偏差有數(shù)十公里，如果阿波羅11號用這套導(dǎo)航系統(tǒng)登月的話，估計發(fā)射上天就成太空垃圾了。

因為要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜嬎銖椀啦拍芫珳?zhǔn)導(dǎo)航，因此二戰(zhàn)之后美國迅速組建了電子管計算機的研發(fā)部門，背后的大佬是美國陸軍彈道研究實驗室。1969年7月20日，阿波羅11號在登月計算機的導(dǎo)航下完成了人類首次登月任務(wù)，精準(zhǔn)抵達(dá)38萬公里外的月球靜?；亍?/p>

導(dǎo)航Navigation的詞源來自拉丁語Navigationem，詞義是海上航行，成型于16世紀(jì)30年代，并一直沿用到今天，服務(wù)四大領(lǐng)域：陸上導(dǎo)航、航海導(dǎo)航、航空導(dǎo)航、太空導(dǎo)航。

現(xiàn)代航海導(dǎo)航需要很精準(zhǔn)地計算以下三大要素：

　　(1)  緯度

　　(2)  經(jīng)度

　　(3)  等角航線（斜航線/恒向線/等傾角螺旋線）

　　陸地和空中則需要加：

　　(4)  海拔

　　(5)  方向

　　(6)  速度 

　　(7)  航行路徑 

　　(8)  航路信息 等等

在GPS還沒普及的年代，航空器駕駛艙是安裝有“觀星窗”的，當(dāng)電子系統(tǒng)無法工作時，飛行員可以利用古老的導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行模糊導(dǎo)航。

目前生產(chǎn)的民航客機都沒有觀星窗了，這玩意巨曬，會把英俊的飛行員曬早禿的。

當(dāng)然，目前生產(chǎn)的汽車基本都配備了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不在需要“觀星窗”了，但全景天窗這種復(fù)古配置仍然深受大家喜愛。

說回現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)。我們平時接觸得比較多的是汽車導(dǎo)航與飛行器導(dǎo)航，后者有個著名的案例——MH370。

事故發(fā)生時，距離航空器使用現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)整整半世紀(jì)了，居然還能發(fā)生飛機憑空消失的事情。早在1947年，美國就用一臺C-47完成了跨大西洋自動駕駛航行，如今的民航客機則會在出發(fā)之前輸入導(dǎo)航點。

比如我們要從ZGGG（廣州白云）飛到EGLL（倫敦希思羅），我輸入ICAO代碼之后就能得到航路全程的118個導(dǎo)航點（機場本身也是導(dǎo)航點），航路里程5361.33海里。

以下是部分導(dǎo)航點的截屏：

為什么航空器的航程用海里來計算呢？因為我們先造的船，后造的飛機……

前文我們提到了“節(jié)”（kont），下面是演算：

1海里Nautical mile = 子午線的1分 = 子午線長度的兩倍÷360÷60≈1852m

1節(jié)=1海里 / 1小時= 1852m / 3600s

好了，有了以上精準(zhǔn)的導(dǎo)航模式，為什么MH370還會迷航呢？這是一個可能被刻意隱瞞的未解之謎，本文作者沒有能力解答，不過我想補充幾個與導(dǎo)航系統(tǒng)的想法供參考：

1、自動駕駛系統(tǒng)的導(dǎo)航：太陽神航空522號航班事故中，737-300加壓失敗導(dǎo)致全員失壓缺氧昏迷，飛機自動駕駛了3小時后耗盡燃料墜毀。對于這種迷航的飛機，領(lǐng)空國的戰(zhàn)斗機會緊急升空查看情況，希臘空軍兩架F-16就發(fā)現(xiàn)552號成了完全無人駕駛的“幽靈航班”。

2、 人類駕駛員的導(dǎo)航：除了會自動駕駛之外，民航客機的飛行也重度依賴正副機長的判斷與操作，不過電子系統(tǒng)與人類操作有時候也會打架。2002年的烏伯林根空難就是空中防撞系統(tǒng)（TCAS）與瑞士航空導(dǎo)航服務(wù)公司（Skyguide）的命令“打架”造成的。考慮到馬航最有可能是單方事故，所以這個原因排除。

3、發(fā)動機監(jiān)控：MH370的遄達(dá)800發(fā)動機擁有發(fā)動機健康管理系統(tǒng)（Engine Health Management System）有信號接收與發(fā)射裝置，羅爾斯·羅伊斯通過衛(wèi)星實時監(jiān)控旗下的發(fā)動機。數(shù)據(jù)稱MH370飛了5小時，而不是一個多小時，此處疑點重重。

4、地面雷達(dá)：地面有一次雷達(dá)與二次雷達(dá)，其中一次雷達(dá)是地面發(fā)射信號到航空器被動反射，二次雷達(dá)是地面發(fā)射信號到航空器，后者主動應(yīng)答帶編碼的航空器當(dāng)前運行狀態(tài)信息。

5、ACARS：飛機通信尋址與報告系統(tǒng)（Aircraft Communications Addressing and Reporting System）在上世紀(jì)80年代末開始使用，包含空中交通管制、航空運行控制、航線管理控制三種報文，經(jīng)由地面基站/衛(wèi)星通信。在衛(wèi)星監(jiān)控下都能跑丟，這得是什么騷操作。

6、ADS-B：廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic Dependent Surveillance Broadcast）這個玩意就是個空中無線電大喇叭，一路飛就一路對外喊“我是XX，現(xiàn)在坐標(biāo)XX，速度XX”。

有以上6種備份的系統(tǒng)冗余還能拉胯，除了人為刻意為之，基本不可能有其他解釋……

在數(shù)字化汽車導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)之前，機械式滾動地圖導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了，下圖是1964紐約世博會展出的福特Aurora概念車內(nèi)飾。這款機械式滾動地圖還帶能通過輪速和轉(zhuǎn)角感應(yīng)器來累計車輛的位移，對其進(jìn)行模糊定位。

機械式滾動地圖的設(shè)計師不知是不是受到中國卷軸畫“移步換景”手法的影響，亦或是了解過荊軻刺秦王的典故……好吧，這次地圖到了盡頭也不會出現(xiàn)一把刀。

其實這種機械式滾動地圖在20世紀(jì)20年代初就已有雛形，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如手持全尺寸地圖好使，產(chǎn)業(yè)鏈沒培育起來，成本相對高，因此未火。

本田后來將這種地圖發(fā)揚光大，裝在1981年的二代Accord（雅閣）的儀表臺上，原理跟福特的一樣，不過地圖庫里只有日本。

1986年，日本Clarion（就是做車機的那個歌樂）在伯明翰車展推出了C-AVCC（汽車視聽計算機通訊系統(tǒng)），這套系統(tǒng)配備了車載話筒，駕駛者打客戶電話報上目的地之后，各個導(dǎo)航點將通過車載打印機打出來，駕駛者再將導(dǎo)航點輸入導(dǎo)航系統(tǒng)。

這跟前文筆者講航空器導(dǎo)航點的那段對上了。（習(xí)慣性埋梗）

1987年，荷蘭的飛利浦研發(fā)了一種名為Carin的離線導(dǎo)航系統(tǒng)，不使用盒式磁帶，改用字磁盤來儲存地圖資料，數(shù)據(jù)密度是磁帶的4倍左右。將Carin和RSD（無線電數(shù)據(jù)系統(tǒng)）配合使用，可以用車載語音系統(tǒng)指引你避開交通堵塞、道路施工、結(jié)冰路面。

通用汽車1989年給出了一項全新的選裝件——Etak導(dǎo)航儀。Etak來自波利尼西亞語（前文我們提到的南太平洋海賊王的語言），翻譯過來就是“精確定位”。

波利尼西亞人擁有古代最先進(jìn)的導(dǎo)航術(shù)，美國人則擁有現(xiàn)代最先進(jìn)的導(dǎo)航術(shù)。Etak導(dǎo)航儀算得上第一臺量產(chǎn)化的民用版汽車導(dǎo)航，雖然這種離線導(dǎo)航不如當(dāng)時的軍用GSP在線導(dǎo)航精準(zhǔn)，但美國在2000年才將未削精度的GPS信號公開民用。

Etak的離線地圖源自當(dāng)?shù)爻鞘械牡貓D磁帶，每一盤磁帶需要35美元，整套導(dǎo)航則需要1400美元，大約相當(dāng)于現(xiàn)在的三臺頂配iPhone。

1996年，通用推出了新的數(shù)字化導(dǎo)航OnStar。沒錯，就是今天的安吉星，它才是汽車衛(wèi)星導(dǎo)航的鼻祖，現(xiàn)在那些所謂智能汽車要拜祖師爺?shù)脑捰浀脛e拜錯了。

首批OnStar在凱迪拉克Deville、Seville、Eldorado三個車系上運用，當(dāng)時也只有豪華品牌用得起衛(wèi)星導(dǎo)航。

衛(wèi)星導(dǎo)航時代的來臨，跳出了永遠(yuǎn)不可能精準(zhǔn)的離線地圖領(lǐng)域，實時地、主動地校對當(dāng)前方位，真正做到時效與精度不拉胯。關(guān)于當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的各大主流品牌，筆者就不多描述了，只說一個安吉星的真實段子吧：

有位通用車主酒駕之后撞上護(hù)欄，單方面事故，然后那貨下車打電話叫人來頂包，好讓保險的人來拖車定損。

與此同時，安吉星服務(wù)臺即使詢問車?yán)锴闆r，發(fā)現(xiàn)沒人應(yīng)答，以為車主暈過去了，就就報110報120了。后來警察比頂包的人來得還早，人民警察出警速度一級棒。人就被抓了。

OnStar的雛形是1966年發(fā)布的DAIR系統(tǒng)（Driver Aid, Information and Routing），當(dāng)時測試車中的“救援、通訊、導(dǎo)航”便是日后OnStar的主要功能。當(dāng)時的DAIR使用V2X技術(shù)，車輛與預(yù)埋在城市路面下的磁性元件通訊進(jìn)而導(dǎo)航，OnStar則是基于美國太空技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)展出來的。

美國海軍在1958年開始研制子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Transit Navigation Satellite System），1964年正式投入使用，這就是全球第一套衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。此時距離大航海時代（我們拿哥倫布1492發(fā)現(xiàn)新大陸來算開始）僅僅過去400多年，哥倫布那種瞎畫圖、瞎算、瞎猜、瞎騙下屬的導(dǎo)航術(shù)，就在新世界進(jìn)化成了無所不知的衛(wèi)星導(dǎo)航術(shù)。

1973年開始，美國開始建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System，），系統(tǒng)全名就是打擊熟悉的GPS（Global Positioning System）。俄羅斯是在蘇聯(lián)解體后的1993年才開始沿著原計劃做Glonass格格納斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

筆者從當(dāng)今世界的八個主要文明入手，羅列了現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)脫離文明的國家目前不配有對應(yīng)的“世界觀”：

　　中華文明：北斗

　　西方文明：伽利略+ GPS（歐盟+北美=基督普世文明）

　　東正文明：Glonass格格納斯

　　印度文明：IRNSS

　　日本文明：QZSS準(zhǔn)天頂

　　伊斯蘭文明：（目前已非重要文明）

　　拉丁美洲文明：（目前已非重要文明）

　　非洲文明：（不少學(xué)者不承認(rèn)有統(tǒng)一的非洲文明）

大家可以看到，目前世界上只有數(shù)得上號的文明，才有技術(shù)和資金運營一套獨立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS有多重要呢？只要美國一掐掉GPS信號，中國所有GPS設(shè)備都要瞎掉，包括共享單車。

智能汽車時代已經(jīng)逐步來臨，GNSS就是新的霸權(quán)，誰有衛(wèi)星群的精準(zhǔn)導(dǎo)航信號，誰才有資格發(fā)展汽車重工業(yè)。

因為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展得比較晚，因此在數(shù)個性能方面比GPS更優(yōu)，畢竟我們是摸著鷹醬過河的。筆者在此后專辟一篇長文進(jìn)行解讀。

受限于篇幅，筆者不能對更多古今導(dǎo)航領(lǐng)域中的牛人們進(jìn)行全面描述。

因此筆者憑著可以忽略不計的行業(yè)公信力，單方面給導(dǎo)航領(lǐng)域的里程碑式人物/人群/技術(shù)頒個獎，簡單描述他們的偉績：