导航 从星星指路到卫星定位-全球即时

从观星辨位到手机定位，导航伴随着人类社会的发展而产生，是从古至今人们远行的必要依靠，减少了很多走错路、找不到方向的尴尬。今天，导航已成为人们出行找路必不可少的工具，不断为生活创造美好。

1.观星辨位

(资料图片仅供参考)

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，最简单的当属寻找一些不变的天然地标。

公元前3000年的古欧洲人通过记录天然的石头山的位置，形成最原始的地图，实现一定区域内的导航。我国古代统治者则通过修建官道，让人们知道走了多少距离、身在何处。一般来说，人们只要沿着官道及路上的指示说明就能到达目的地。为了丈量路程，每隔一段距离，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，标示着由始发地到目的地的道路里程。

《山海经》等古籍中曾提到过“堠”，更明确直接的记载见于《北史》中：韦孝宽曾出任雍州刺史，当时雍州路旁每隔一里就有一个土堠，由于经常被雨水冲毁，所以韦孝宽上任后便下令种植槐树代替土堠。后来这种方式得以推广，各地每隔一里种植一棵树，每隔十里种三棵树，每隔百里种五棵树。不过，由于当时社会动荡，到了唐代，“堠”依然以土堆和石堆为主。历史上，除了上述形式，人们还会用立碑的方式来建“堠”。为了防止损毁，官方甚至还会安排专人管理导航路标。

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，全无道路可通，此类驿站，亦必设立。”说的就是当时许多人迹罕至的地方也设有驿站。直到明清时期，驿站依然是古代陆路“导航系统”中不可缺少的部分。

在水路，天然地标也是古人最早的不二之选。公元前5世纪，居住在今黎巴嫩的腓尼基人已经可以驾驶船幅宽阔的月牙形桨帆船穿过直布罗陀海峡，到不列颠和锡利群岛换取锡材。后来，古波利尼西亚人还驾着独木舟横过汪洋，到其他小岛定居。他们通常都是沿着海岸航行，并通过山头、岛屿、海岸、特殊物标等陆标及航迹来推断自身船位，晚间则靠岸停泊。一直到中世纪，地中海的商船大多还是沿岸航行。因为在望不见陆地的海面上，尤其是在天气情况不良时，人们很难确定船位及方向。迪亚士、达伽马等航海家在探索新航路时也往往选择沿着岸边航行，以保证船队安全并相对准确地记录航线。

随着人类对自然认识的不断深入，观察天象逐渐成了更好的导航方式之一。

古人很早便知道了太阳东升西落的规律，于是懂得根据太阳的方位辨别方向。然而，到了夜晚又该如何辨别呢？《诗经》中说：“东有启明，西有长庚。”这说明，先人很早时就懂得通过识别天上的星辰来辨别方向，即使在黑夜中也不会迷路。这就是天文导航。

恒星的位置相对稳定，其中最著名的属北斗七星。比如西汉刘安编撰的《淮南子》中提到，“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣”。就是说，人们在水路上迷路时，看见北斗星，就能分辨方向了。还有“并乎沧海者，必仰辰极以得反”，意思是抬头看到北斗就知道如何返回，这是古代北斗七星用于导航定位的证明。北极星是北天极附近的一颗亮星，从北半球上看，它的位置几乎不变。在气象条件良好时，早期的航海者可以通过白天观测太阳、夜晚观测北极星位置来判断方向。在没有卫星导航的日子，我们的先祖已经运用北斗七星来建立时空基准，实现导航、定位和授时功能。我国的卫星导航系统起名“北斗”，也是由此而来。

2.“过洋牵星”

不过，依靠自然界的事物进行导航存在很大的不确定性，离开官道来到荒郊野岭，又或遭遇阴雨大雾天气，观星辨位无法奏效，就需要依靠人造的导航工具了。

相传，黄帝与蚩尤在涿鹿交战，因蚩尤制造浓雾，导致对方一行人迷失了方向。于是，黄帝组织人力，研究制造出指南车，最终大获全胜。这个故事虽是传说，但说明先人发明和使用指南车已有很悠久的历史了。指南车没有使用磁石，而是利用齿轮的工作原理制作而成。由于体积大且制作难度高，所以指南车逐渐失传。不过，后世曾有科学家根据历史记载复原过指南车。

作为指南针的前身，最早的司南大致出现在战国时期，当时战事频繁，导航技术随之迅速发展。据考古学家推测，司南是用天然磁石磨制而成的。史学家曾根据古籍中“司南之杓，投之于地，其柢指南”的记载，考证并复原了勺形的指南器具：磁石的南极磨成长柄，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，这就是传统认为的世界上最早的磁性指南仪器——司南。

到了宋代，人们发明了用人工磁化的方法制成可以指示南北的工具，即指南鱼。指南鱼是把薄铁片剪成鱼形，然后将“鱼”和天然磁石放在一起，通过磁场磁化使其带有磁性。使用时，只需有一碗水，再将“鱼”浮于水面，就能指南。当时的人工磁化方法，是一项重要的发明，它对指南针的发明和磁学的发展都具有重大意义。

经过长期的改进，人们又把钢针在天然磁铁上磨擦，钢针在地磁作用下保持指南性能，此后将其装置在方位盘上，就称为罗盘。这是指南针发展史上的一大飞跃。北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中记述：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”此“偏东”，是指磁偏角，这在当时是一个重大发现，欧洲直到13世纪才知道磁针有偏角。

目前学术界公认的世界航海史上最早使用指南针的记录，来自北宋朱彧所著的《萍州可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针，或以绳钩取海底泥，嗅之便知所至。”他是根据父亲朱服在广州做知州时的所见所闻而写。根据现代学者的研究，我国最初的指南针采用的是水浮法。后来，水浮法指南针被称为“水罗盘”，即把磁化了的铁针穿过灯芯草，浮在水上，利用磁针浮在水上转动来指引方向。把指南浮针与方位盘结合在一起，就成了水罗盘。南宋吴自牧的《梦梁采》记载：航海行船“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，南宋以后，海上行船主要依靠指南针来导航，且船上还有专人负责守着，不断修正航向。

有了指南针的导航，宋朝的航海业如虎添翼，让全天候航行以及跨洋成为可能。12世纪，船用指南针从我国传至阿拉伯，再到欧洲。13世纪后期，指南针在欧洲的航海中逐渐被广泛应用，“水罗盘”也被升级改造为“旱罗盘”，在航行时的准确度得到进一步提高。

即便分清方向,但若无法精确定位，在茫茫大海中也很容易迷失。于是，聪明的古人学会了通过水平线测量星体高度，从而判断出船舶在海上所处的位置，这就是“过洋牵星术”。这种技术会运用到一种叫牵星板的工具，它由12块大小不一的方形木板和一条贯穿所有木板中心的长绳构成。利用牵星板可以测量出星辰的高度指数，从而测出船只的具体航向。可以说，过洋牵星术在古代算得上是最高端的导航技术了。明代航海家郑和率领船队七次远航，行至西太平洋和印度洋的30多个国家和地区。这种天文航海技术为郑和船队的跨洋航行提供了重要支撑。《郑和航海图》中的“过洋牵星图”详细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位置与形状。在远离陆地的印度洋上，通过“观日月升坠，以辨东西，星斗高低，度量远近”得到了“牵星为准，所实无差，保得无虞”的航海导航效果。

此后在漫长的航海史中，人类还发明了各种各样的天文观测仪器，最著名的就是“六分仪”。用该仪器对准太阳或者星星，通过一定的计算就可以确认自己在大海上的位置。这种测量精度算不上高，但在没有无线电技术的年代，六分仪算是最可靠的导航手段了。

在地球上，定位需要两个坐标，即纬度和经度。长期以来，人们通过上述工具与方法可以较为便捷地判断大致方向与纬度，然而如何测量、测准经度才是真正的难题。18世纪，因为英国海军一次严重的海难，唤起了英国对经度测量的关注。英国政府颁布了《经度法案》，以法律的名义宣布：任何人只要能找出在海上测量经度的方法，误差在半度以内的奖励2万英镑。想拿到这笔巨奖并不容易，因为法案要求航海40天经度不能差半度，也就是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，要保持计时装置的正常运作非常困难。

经过近30年的尝试，钟表匠约翰·哈里森终于在1759年制造出航海钟，拿到这笔奖金。他发明出现代意义上的计时器，利用航海钟精确走时解决了测定经度的问题。船长可以通过速度方向时间的计算，来确定自己在海上向哪个方向走了多远。更精准的时间，从此使人们可以通过确定地球的经度进行导航。当时的英国就是凭借在航海钟上的领先地位，建立起高效的海军，确立了海上霸主的地位。航海钟也是GPS出现之前，人们用来航海导航最精密的授时工具。

3.无线电引路

1903年，莱特兄弟制造的第一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远程交通工具。在发展初期，飞机没有任何导航设备，完全靠飞行员的双眼寻找地标作为参照物，航线基本是沿着山脉或河流前行。

为了给飞行员导航，美国上世纪20年代曾出资修建了“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，飞行员从高处很远就可以看到。目视飞行作为核心导航一直使用了很多年，即使在现在，这种目视导航规则依然在一定范围内沿用。

19世纪末，人类发明了无线电技术，无线电导航技术随之问世。通过无线电的中继功能，不断从地面给飞机发信号，为其引路。这种传统的导航方式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，使飞行员在万米高空中确定自己的位置，从一个信标台飞向下一个信标台，直至安全到达目的地。不过无线电导航也有缺点，它更多的是依赖于地面导航台的信号指示，距离远近、信号强弱都会造成干扰。

1937年，雷达开始在舰船上用作导航手段。第二次世界大战中后期，陆基无线电导航系统得到迅速发展，通过测量无线电导航台发射的信号，可以确定运动载体相对于导航台的方位、距离、距离差等几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此对运动载体进行定位、导航和授时。相比大航海时代，这时的导航技术已经有了很大程度上的飞跃，定位精度大约一二百米，覆盖范围千余公里。导航技术的应用，也从陆地、海洋走向了天空。至今，仍然有很多无线电导航技术作为主要或辅助手段在使用。

第二次世界大战期间，纳粹德国夜间空袭了英国，尽管无法看到目标，但德机仍成功轰炸目标，而无线电导航系统就是当时德国意图摧毁英国的秘密武器。在此之前，飞行员在夜晚的行动中几乎无法准确轰炸，有时甚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执行袭击荷兰机场任务时，由于在风暴中迷路，又缺少有效导航系统，最终轰炸了位于英格兰南部的自家空军基地。意识到德军通过使用无线电导航技术提高夜间轰炸精度后，英国空军马上采取对策，对德军的无线电导航信号有意进行错误转发或强力干扰，诱使其将大量炸弹投到了无人地带，甚至释放假冒波束，让德机误入英格兰北部高地，继而撞上山峰而坠毁。德国空军因此损失了大量优秀飞行员，最终不得不放弃。因此，有军事爱好者将这次战役称为“无线电导航之战”。

4.卫星出马

近现代时期，军事应用仍然在推动导航技术的持续发展。

1957年，苏联发射第一颗人造卫星“斯普特尼克”时，美国科学家一直在跟踪观测，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十分密切的联系。所谓多普勒频移，就是在无线电信号发射源接近接收机的时候，收到的信号频率逐渐升高；反之，则频率逐渐降低。如果在一个已知位置的点上测量频移，就能够知道卫星的精确轨道。而反过来，如果知道了卫星的精确轨道，通过测量频移就可以推算出观测站的地理位置。这个重大发现刺激了美国军方，当时正值该国海军导弹核潜艇发展初期，核潜艇如何知道自己的精确位置是个难题。1958年，美国军方启动了“子午仪”卫星计划，用上述原理来实现核潜艇的导航。1960年4月，美国成功发射了世界上第一个卫星导航系统“子午仪”，随后应用于海军。子午仪一共有36颗卫星，一直运行到1996年，后来完全被全球定位系统（GPS）所取代。“子午仪”系统的成功应用，在美国海陆空三军中掀起了卫星导航热，为后续的GPS建设奠定了基础。1973年，美国启动GPS计划，1995年达到完全运行能力，标志着一个革命性的全新导航时代的到来。GPS系统用24颗卫星实现了全球性覆盖和全天候服务，可实时动态地提供十米级至厘米级的定位、导航和授时一体化服务。目前，全球四大卫星导航系统中，除美国的GPS外，还有俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略和中国的北斗。除了北斗系统之外，其他三个卫星导航系统都由24颗中圆轨道卫星组成，平均分布在6个轨道面上，每个轨道面4颗。北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。北斗三号系统由30颗卫星组成，采用混合星座体制，除了和其他系统一样有24颗中圆轨道卫星以外，还有三颗同步轨道卫星和三颗倾斜同步轨道卫星。目前，北斗三号系统提供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等系统的服务能力相当，在亚太地区性能更优。

在导航出现以前，走错路是家常便饭，凭借记忆寻找目的地难度极大。自从手机导航出现后，迷路的问题迎刃而解，让说走就走的旅行成为现实。

（部分资料来源于北京合众思壮科技股份有限公司北斗卫星导航应用博物馆）

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