导航从星星指路到卫星定位

liukang20242周前 (04-17)红领巾吃瓜1016

从观星辨位到手机定位，导航伴跟着人类社会的开展而发生，是从古至今人们远行的必要依托，减少了许多走错路、找不到方向的为难。今日，导航已成为人们出行找路必不行少的东西，不断为日子创造夸姣。

1.观星辨位

古人远行，没有卫星导航，他们是怎样找到正确的方向呢？其实，除了张口问，最简略的当属寻觅一些不变的天然地标。

公元前3000年的古欧洲人经过记载天然的石头山的方位，构成最原始的地图，完成必定区域内的导航。我国古代统治者则经过建筑官道，让人们知道走了多少间隔、身在何处。一般来说，人们只需沿着官道及路上的指示阐明就能抵达目的地。为了丈量旅程，每隔一段间隔，官府就会在官道旁堆个石堆或垒个土堆作为路标，称之为“堠”（音hòu），5里单堠，10里双堠，标明着由始发地到目的地的路途路程。

《山海经》等古籍中曾说到过“堠”，更清晰直接的记载见于《北史》中：韦孝宽曾出任雍州刺史，其时雍州路旁每隔一里就有一个土堠，因为经常被雨水冲垮，所以韦孝宽就任后便命令栽培槐树替代土堠。后来这种办法得以推行，各地每隔一里栽培一棵树，每隔十里种三棵树，每隔百里种五棵树。不过，因为其时社会动乱，到了唐代，“堠”依然以土堆和石堆为主。前史上，除了上述办法，人们还会用立碑的办法来建“堠”。为了避免损毁，官方乃至还会安排专人办理导航路标。

此外，古代的官道上还有驿站。汉朝时，每三十里设有一个驿站。盛唐时，驿站遍布全国，马可·波罗曾记载：“无人居之地，全无路途可通，此类驿站，亦必树立。”说的便是其时许多人迹罕至的当地也设有驿站。直到明清时期，驿站依然是古代陆路“导航体系”中不行短少的部分。

在水路，天然地标也是古人最早的不贰之选。公元前5世纪，居住在今黎巴嫩的腓尼基人现已可以驾驭船幅宽广的月牙形桨帆船穿过直布罗陀海峡，到不列颠和锡利群岛交换锡材。后来，古波利尼西亚人还驾着独木舟横过浩瀚，到其他小岛久居。他们一般都是沿着海岸飞翔，并经过山头、岛屿、海岸、特别物标等陆标及航迹来揣度本身船位，晚间则泊岸停靠。一向到中世纪，地中海的商船大多仍是沿岸飞翔。因为在望不见陆地的海面上，尤其是在气候情况不良时，人们很难承认船位及方向。迪亚士、达伽马等帆海家在探究新航路时也往往挑选沿着岸边飞翔，以确保船队安全并相对准确地记载航线。

跟着人类对天然知道的不断深入，调查天象逐步成了更好的导航办法之一。

古人很早便知道了太阳东升西落的规矩，所以懂得依据太阳的方位区分方向。但是，到了夜晚又该怎么区分呢？《诗经》中说：“东有启明，西有长庚。”这阐明，祖先很早时就懂得经过辨认天上的星斗来区分方向，即便在黑夜中也不会走失。这便是地舆导航。

恒星的方位相对安稳，其间最著名的属斗极七星。比方西汉刘安撰写的《淮南子》中说到，“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣”。便是说，人们在水路上走失时，看见斗极星，就能分辩方向了。还有“并乎沧海者，必仰辰极以得反”，意思是昂首看到斗极就知道怎么回来，这是古代斗极七星用于导航定位的证明。北极星是北天极邻近的一颗亮星，从北半球上看，它的方位简直不变。在气象条件杰出时，前期的帆海者可以经过白日观测太阳、夜晚观测北极星方位来判别方向。在没有卫星导航的日子，咱们的先祖现已运用斗极七星来树立时空基准，完成导航、定位和授时功用。我国的卫星导航体系起名“斗极”，也是由此而来。

2.“过洋牵星”

不过，依托天然界的事物进行导航存在很大的不承认性，脱离官道来到荒郊野岭，又或遭受阴雨大雾气候，观星辨位无法见效，就需求依托人工的导航东西了。

相传，黄帝与蚩尤在涿鹿交兵，因蚩尤制作浓雾，导致对方一行人迷失了方向。所以，黄帝安排人力，研讨制作出攻略车，终究大获全胜。这个故事虽是传说，但阐明祖先创造和运用攻略车已有很悠长的前史了。攻略车没有运用磁石，而是运用齿轮的作业原理制作而成。因为体积大且制作难度高，所以攻略车逐步失传。不过，后世曾有科学家依据前史记载恢复过攻略车。

作为攻略针的前身，最早的司南大致呈现在战国时期，其时战事频频，导航技能随之迅速开展。据考古学家估测，司南是用天然磁石磨制而成的。史学家曾依据古籍中“司南之杓，投之于地，其柢攻略”的记载，考证并恢复了勺形的攻略用具：磁石的南极磨成长柄，放在青铜制成的润滑如镜的底盘上，再铸上方向性的刻纹。这个磁勺在底盘上中止滚动时，勺柄指的方向便是正南，勺口指的方向便是正北，这便是传统以为的国际上最早的磁性攻略仪器——司南。

到了宋代，人们创造了用人工磁化的办法制成可以指示南北的东西，即攻略鱼。攻略鱼是把薄铁片剪成鱼形，然后将“鱼”和天然磁石放在一同，经过磁场磁化使其带有磁性。运用时，只需有一碗水，再将“鱼”浮于水面，就能攻略。其时的人工磁化办法，是一项重要的创造，它对攻略针的创造和磁学的开展都具有严峻意义。

经过长时刻的改善，人们又把钢针在天然磁铁上磨擦，钢针在地磁作用下坚持攻略功用，尔后将其设备在方位盘上，就称为罗盘。这是攻略针开展史上的一大腾跃。北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中记叙：“方家以磁石磨针锋，则能攻略，然常微偏东，不全南也。”此“偏东”，是指磁偏角，这在其时是一个严峻发现，欧洲直到13世纪才知道磁针有偏角。

现在学术界公认的国际帆海史上最早运用攻略针的记载，来自北宋朱彧所著的《萍州可谈》：“舟师识地舆，夜则观星，昼则观日，阴晦则观攻略针，或以绳钩取海底泥，嗅之便知所至。”他是依据父亲朱服在广州做知州时的所见所闻而写。依据现代学者的研讨，我国开端的攻略针选用的是水浮法。后来，水浮法攻略针被称为“水罗盘”，即把磁化了的铁针穿过灯芯草，浮在水上，运用磁针浮在水上滚动来指引方向。把攻略浮针与方位盘结合在一同，就成了水罗盘。南宋吴自牧的《梦梁采》记载：帆海行船“风雨冥晦时，惟凭针盘而行。乃火长执之，毫厘不敢差误，盖一舟人命所系也，全凭南针，或有少差，即葬身鱼腹”。可见，南宋今后，海上行船首要依托攻略针来导航，且船上还有专人担任守着，不断批改航向。

有了攻略针的导航，宋朝的帆海业如虎添翼，让全天候飞翔以及跨洋成为可能。12世纪，船用攻略针从我国传至阿拉伯，再到欧洲。13世纪后期，攻略针在欧洲的帆海中逐步被广泛运用，“水罗盘”也被晋级改造为“旱罗盘”，在飞翔时的准确度得到进一步进步。

即便辨明方向,但若无法准承认位，在茫茫大海中也很简单迷失。所以，聪明的古人学会了经过水平线丈量星体高度，然后判别出船舶在海上所在的方位，这便是“过洋牵星术”。这种技能会运用到一种叫牵星板的东西，它由12块大小不一的方形木板和一条贯穿一切木板中心的长绳构成。运用牵星板可以丈量出星斗的高度指数，然后测出船舶的具体航向。可以说，过洋牵星术在古代算得上是最高端的导航技能了。明代帆海家郑和带领船队七次远航，行至西太平洋和印度洋的30多个国家和地区。这种地舆帆海技能为郑和船队的跨洋飞翔供给了重要支撑。《郑和帆海图》中的“过洋牵星图”具体记载了不同船位时各观测星体的高度，并在图中画出了星体的方位与形状。在远离陆地的印度洋上，经过“观日月升坠，以辨东西，星斗凹凸，衡量远近”得到了“牵星为准，所实无差，保得无虞”的帆海导航作用。

尔后在绵长的帆海史中，人类还创造了各式各样的地舆观测仪器，最著名的便是“六分仪”。用该仪器对准太阳或许星星，经过必定的核算就可以承认自己在大海上的方位。这种丈量精度算不上高，但在没有无线电技能的年代，六分仪算是最牢靠的导航手法了。

在地球上，定位需求两个坐标，即纬度和经度。长时刻以来，人们经过上述东西与办法可以较为快捷地判别大致方向与纬度，但是怎么丈量、测准经度才是真实的难题。18世纪，因为英国水兵一次严峻的海难，唤起了英国对经度丈量的重视。英国政府公布了《经度法案》，以法令的名义宣告：任何人只需能找出在海上丈量经度的办法，差错在半度以内的奖赏2万英镑。想拿到这笔巨奖并不简单，因为法案要求帆海40天经度不能差半度，也便是24小时内不能差3秒。在剧烈晃动且温度、湿度皆变化无常的海上，要坚持计时设备的正常运作非常困难。

经过近30年的测验，挂钟匠约翰·哈里森总算在1759年制作出帆海钟，拿到这笔奖金。他创造呈现代意义上的计时器，运用帆海钟准确走时处理了测定经度的问题。船长可以经过速度方向时刻的核算，来承认自己在海上向哪个方向走了多远。更精准的时刻，从此使人们可以经过承认地球的经度进行导航。其时的英国便是凭仗在帆海钟上的领先方位，树立起高效的水兵，确立了海上霸主的方位。帆海钟也是GPS呈现之前，人们用来帆海导航最精细的授时东西。

3.无线电引路

人们在观赏莱特兄弟创造的国际上榜首架动力飞翔器“飞翔者一号” 材料图新华社

1903年，莱特兄弟制作的榜首架飞机在美国北卡罗莱纳州试飞成功，自此，飞机成为一种重要的长途交通东西。在开展初期，飞机没有任何导航设备，彻底赖飞翔员的双眼寻觅地标作为参照物，航线基本是沿着山脉或河流前行。

为了给飞翔员导航，美国上世纪20年代曾出资建筑了“飞机路标”，每个箭头长达20多米，均被刷成亮眼的黄色，上面还配有一个15米的高塔，塔顶有一盏燃气灯。有了这种横跨全国的标识，飞翔员从高处很远就可以看到。目视飞翔作为中心导航一向运用了许多年，即便在现在，这种目视导航规矩依然在必定规模内沿袭。

19世纪末，人类创造了无线电技能，无线电导航技能随之面世。经过无线电的中继功用，不断从地上给飞机发信号，为其引路。这种传统的导航办法就像茫茫大海中的灯塔，不停地向周边空间发射信号，飞机接收到这些信号后可以获得各种信息，使飞翔员在万米高空中承认自己的方位，从一个信标台飞向下一个信标台，直至安全抵达目的地。不过无线电导航也有缺陷，它更多的是依赖于地上导航台的信号指示，间隔远近、信号强弱都会形成搅扰。

1937年，雷达开端在舰船上用作导航手法。第二次国际大战中后期，陆基无线电导航体系得到迅速开展，经过丈量无线电导航台发射的信号，可以承认运动载体相对于导航台的方位、间隔、间隔差等几许参量，然后承认运动载体与导航台之间的相对方位联络，据此对运动载体进行定位、导航和授时。比较大帆海年代，这时的导航技能现已有了很大程度上的腾跃，定位精度大约一二百米，掩盖规模千余公里。导航技能的运用，也从陆地、海洋走向了天空。至今，依然有许多无线电导航技能作为首要或辅佐手法在运用。

第二次国际大战期间，纳粹德国夜间空袭了英国，虽然无法看到方针，但德机仍成功轰炸方针，而无线电导航体系便是其时德国目的炸毁英国的秘密武器。在此之前，飞翔员在夜晚的举动中简直无法准确轰炸，有时乃至找不到正确的城市或国家。如在1940年，英国皇家空军的一架轰炸机在履行突击荷兰机场使命时，因为在风暴中走失，又短少有用导航体系，终究轰炸了坐落英格兰南部的自家空军基地。意识到德军经过运用无线电导航技能进步夜间轰炸精度后，英国空军立刻采纳对策，对德军的无线电导航信号有意进行过错转发或强力搅扰，诱使其将很多炸弹投到了无人地带，乃至开释冒充波束，让德机误入英格兰北部高地，继而撞上山峰而坠毁。德国空军因而丢失了很多优异飞翔员，终究不得不抛弃。因而，有军事爱好者将这次战争称为“无线电导航之战”。

4.卫星出马

近现代时期，军事运用依然在推进导航技能的持续开展。

1957年，苏联发射榜首颗人工卫星“斯普特尼克”时，美国科学家一向在盯梢观测，他们发现卫星信号的多普勒频移曲线与卫星的运动轨迹之间存在着非常亲近的联络。所谓多普勒频移，便是在无线电信号发射源挨近接收机的时分，收到的信号频率逐步升高；反之，则频率逐步下降。假如在一个已知方位的点上丈量频移，就可以知道卫星的准确轨迹。而反过来，假如知道了卫星的准确轨迹，经过丈量频移就可以推算出观测站的地舆方位。这个严峻发现影响了美国军方，其时正值该国水兵导弹核潜艇开展初期，核潜艇怎么知道自己的准确方位是个难题。1958年，美国军方发动了“子午仪”卫星方案，用上述原理来完成核潜艇的导航。1960年4月，美国成功发射了国际上榜首个卫星导航体系“子午仪”，随后运用于水兵。子午仪一共有36颗卫星，一向运转到1996年，后来彻底被全球定位体系（GPS）所替代。“子午仪”体系的成功运用，在美国海陆空三军中掀起了卫星导航热，为后续的GPS建造奠定了根底。1973年，美国发动GPS方案，1995年到达彻底运转才能，标志着一个革命性的全新导航年代的到来。GPS体系用24颗卫星完成了全球性掩盖和全天候服务，可实时动态地供给十米级至厘米级的定位、导航和授时一体化服务。现在，全球四大卫星导航体系中，除美国的GPS外，还有俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略和我国的斗极。除了斗极体系之外，其他三个卫星导航体系都由24颗中圆轨迹卫星组成，均匀散布在6个轨迹面上，每个轨迹面4颗。斗极卫星导航体系是我国着眼于国家安全和经济社会开展需求，自主建造、独立运转的卫星导航体系，是为全球用户供给全天候、全地利、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间根底设施。斗极三号体系由30颗卫星组成，选用混合星座体系，除了和其他体系相同有24颗中圆轨迹卫星以外，还有三颗同步轨迹卫星和三颗歪斜同步轨迹卫星。现在，斗极三号体系供给的全球定位精度优于10米，测速精度优于每秒0.2米，授时精度优于20纳秒，和GPS等体系的服务才能适当，在亚太地区功用更优。

在导航呈现曾经，走错路是粗茶淡饭，凭仗回忆寻觅目的地难度极大。自从手机导航呈现后，走失的问题方便的解决，让说走就走的游览成为实际。

（部分材料来历于北京合众思壮科技股份有限公司斗极卫星导航运用博物馆）

来历：北京日报作者树立

流程修改：u032

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