無人驅(qū)：精準導航哪家強?荊軻后悔刺秦王

　　導航技術(shù)有多重要呢？

　　中國古代四大發(fā)明就有一件導航儀器叫——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。

　　風蕭蕭兮看導航，地圖一去兮不復還。

　　除了(1)定向儀器和(2)高精度地圖，古代導航技術(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，精準度一舉超越了東方，后來還有20世紀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)細繩牽著的浮標下水，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投案例，人類第一成功的風投案例——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?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世紀末異軍突起，還得感謝奧斯曼帝國半世紀前攻破君士坦丁堡，截斷了西歐諸國與東方貿(mào)易的所有陸路和海陸，西方文明只能在導航技術(shù)如此落伍的前提下，往西去找印度和中國。導航技術(shù)渣到爆的哥倫布，通過一系列失準得無語的計算，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的導航技術(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航系統(tǒng)，借用了比同期人類文明更先進的海鳥導航系統(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，后來還有更精準的鐘表法、月距法，到了18世紀中期出現(xiàn)六分儀，天文導航和地文導航相結(jié)合，就組建成全球的導航地圖。關(guān)于地文導航還能多說一句，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。

　　現(xiàn)在不少中小學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，有毫米波也有超聲波，這些傳感器的職責是確認外界環(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，我們就可以測量出目標與雷達之間的三維空間關(guān)系，對潛艇、飛行器、車輛進行精確定位。

　　盟軍有雷達，德軍則有V1巡航導彈。V1的制導系統(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系統(tǒng)，工程師根據(jù)A/B兩地的地圖坐標設(shè)定飛行方向和時間， 飛行夠預定時間后自動切斷油路，導彈失去動力掉下去。

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

　　因為要嚴謹?shù)赜嬎銖椀啦拍芫珳蕦Ш?，因此二?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航下完成了人類首次登月任務，精準抵達38萬公里外的月球靜?；?。

　　導航Navigation的詞源來自拉丁語Navigationem，詞義是海上航行，成型于16世紀30年代，并一直沿用到今天，服務四大領(lǐng)域：陸上導航、航海導航、航空導航、太空導航。

　　現(xiàn)代航海導航需要很精準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，當電子系統(tǒng)無法工作時，飛行員可以利用古老的導航技術(shù)進行模糊導航。

　　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。

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

　　說回現(xiàn)代導航技術(shù)。我們平時接觸得比較多的是汽車導航與飛行器導航，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)代導航技術(shù)已經(jīng)整整半世紀了，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個導航點（機場本身也是導航點），航路里程5361.33海里。

　　以下是部分導航點的截屏：

　　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，有了以上精準的導航模式，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航系統(tǒng)的想法供參考：

　　1、自動駕駛系統(tǒng)的導航：太陽神航空522號航班事故中，737-300加壓失敗導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）與瑞士航空導航服務公司（Skyguide）的命令“打架”造成的?？紤]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：地面有一次雷達與二次雷達，其中一次雷達是地面發(fā)射信號到航空器被動反射，二次雷達是地面發(fā)射信號到航空器，后者主動應答帶編碼的航空器當前運行狀態(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)字化汽車導航系統(tǒng)出現(xiàn)之前，機械式滾動地圖導航系統(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)角感應器來累計車輛的位移，對其進行模糊定位。

　　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20年代初就已有雛形，但遠遠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，各個導航點將通過車載打印機打出來，駕駛者再將導航點輸入導航系統(tǒng)。

　　這跟前文筆者講航空器導航點的那段對上了。（習慣性埋梗）

　　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的導航術(shù)，美國人則擁有現(xiàn)代最先進的導航術(shù)。Etak導航儀算得上第一臺量產(chǎn)化的民用版汽車導航，雖然這種離線導航不如當時的軍用GSP在線導航精準，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?shù)爻鞘械牡貓D磁帶，每一盤磁帶需要35美元，整套導航則需要1400美元，大約相當于現(xiàn)在的三臺頂配iPhone。

　　1996年，通用推出了新的數(shù)字化導航OnStar。沒錯，就是今天的安吉星，它才是汽車衛(wèi)星導航的鼻祖，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，當時也只有豪華品牌用得起衛(wèi)星導航。

　　衛(wèi)星導航時代的來臨，跳出了永遠不可能精準的離線地圖領(lǐng)域，實時地、主動地校對當前方位，真正做到時效與精度不拉胯。關(guān)于當前衛(wèi)星導航領(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，安吉星服務臺即使詢問車里情況，發(fā)現(xiàn)沒人應答，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），當時測試車中的“救援、通訊、導航”便是日后OnStar的主要功能。當時的DAIR使用V2X技術(shù)，車輛與預埋在城市路面下的磁性元件通訊進而導航，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、瞎騙下屬的導航術(shù)，就在新世界進化成了無所不知的衛(wèi)星導航術(shù)。

　　1973年開始，美國開始建設(shè)全球衛(wèi)星導航系統(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)星導航系統(tǒng)。

　　筆者從當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：（不少學者不承認有統(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)星導航系統(tǒng)。

　　全球衛(wèi)星導航系統(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)星群的精準導航信號，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行解讀。

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

　　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：

（圖/文：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂）