無人驅：精準導航哪家強?荊軻后悔刺秦王

　　導航技術有多重要呢？

　　中國古代四大發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，統一中原，稱“黃帝”。

　　見到這一幕，美軍直呼內行。1991年海灣戰爭中，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（蚩尤大霧），降維打擊，摧枯拉朽。

　　在古代，定位與導航技術往往能關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，飛刀技術連國產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；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”，把長度數據轉化為脈沖信號來計數。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（半分鐘經典款），計算距離可以扔一個下方懸吊著鉛塊、被帶節細繩牽著的浮標下水，計算半分鐘扯出去幾節，最終得出航速。我們至今計算航速都用“節”(knot)，就源于“繩結”(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，這哥們居然調了船上的技術裝置少算點航程，別人非蠢既壞，他又蠢又壞，命運卻點名讓他找到了“印度”，當地人無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易的所有陸路和海陸，西方文明只能在導航技術如此落伍的前提下，往西去找印度和中國。導航技術渣到爆的哥倫布，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，類似美國瀕海戰斗艦）。不過波利尼西亞人沒什么科學的導航技術，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，借用了比同期人類文明更先進的海鳥導航系統，一舉成為南太平洋的海賊王，實力躺贏。

　　中華文明發家早，在秦漢開始用牽星術，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世紀中期出現六分儀，天文導航和地文導航相結合，就組建成全球的導航地圖。關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境有什么、本車位于環境中的什么位置。

　　在正兒八經的雷達問世之前，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，工程師根據A/B兩地的地圖坐標設定飛行方向和時間， 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十公里，如果阿波羅11號用這套導航系統登月的話，估計發射上天就成太空垃圾了。

　　因為要嚴謹地計算彈道才能精準導航，因此二戰之后美國迅速組建了電子管計算機的研發部門，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，服務四大領域：陸上導航、航海導航、航空導航、太空導航。

　　現代航海導航需要很精準地計算以下三大要素：

　　(1)  緯度

　　(2)  經度

　　(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，當電子系統無法工作時，飛行員可以利用古老的導航技術進行模糊導航。

　　目前生產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，目前生產的汽車基本都配備了衛星導航系統，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。

　　說回現代導航技術。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。

　　事故發生時，距離航空器使用現代導航技術已經整整半世紀了，居然還能發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”（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=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的想法供參考：

　　1、自動駕駛系統的導航：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，領空國的戰斗機會緊急升空查看情況，希臘空軍兩架F-16就發現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（TCAS）與瑞士航空導航服務公司（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、發動機監控：MH370的遄達800發動機擁有發動機健康管理系統（Engine Health Management System）有信號接收與發射裝置，羅爾斯·羅伊斯通過衛星實時監控旗下的發動機。數據稱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射信號到航空器被動反射，二次雷達是地面發射信號到航空器，后者主動應答帶編碼的航空器當前運行狀態信息。

　　5、ACARS：飛機通信尋址與報告系統（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，經由地面基站/衛星通信。在衛星監控下都能跑丟，這得是什么騷操作。

　　6、ADS-B：廣播式自動相關監視系統（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，現在坐標XX，速度XX”。

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

　　在數字化汽車導航系統出現之前，機械式滾動地圖導航系統已經出現了，下圖是1964紐約世博會展出的福特Aurora概念車內飾。這款機械式滾動地圖還帶能通過輪速和轉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，產業鏈沒培育起來，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），這套系統配備了車載話筒，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。

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

　　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，美國人則擁有現代最先進的導航術。Etak導航儀算得上第一臺量產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的離線地圖源自當地城市的地圖磁帶，每一盤磁帶需要35美元，整套導航則需要1400美元，大約相當于現在的三臺頂配iPhone。

　　1996年，通用推出了新的數字化導航OnStar。沒錯，就是今天的安吉星，它才是汽車衛星導航的鼻祖，現在那些所謂智能汽車要拜祖師爺的話記得別拜錯了。

　　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星導航。

　　衛星導航時代的來臨，跳出了永遠不可能精準的離線地圖領域，實時地、主動地校對當前方位，真正做到時效與精度不拉胯。關于當前衛星導航領域的各大主流品牌，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，發現沒人應答，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年發布的DAIR系統（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，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的優勢發展出來的。

　　美國海軍在1958年開始研制子午儀衛星定位系統（Transit Navigation Satellite System），1964年正式投入使用，這就是全球第一套衛星導航系統。此時距離大航海時代（我們拿哥倫布1492發現新大陸來算開始）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，就在新世界進化成了無所不知的衛星導航術。

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

　　筆者從當今世界的八個主要文明入手，羅列了現有的衛星定位系統，發現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一的非洲文明）

　　大家可以看到，目前世界上只有數得上號的文明，才有技術和資金運營一套獨立的全球衛星導航系統。

　　全球衛星導航系統GNSS有多重要呢？只要美國一掐掉GPS信號，中國所有GPS設備都要瞎掉，包括共享單車。

　　智能汽車時代已經逐步來臨，GNSS就是新的霸權，誰有衛星群的精準導航信號，誰才有資格發展汽車重工業。

　　因為北斗衛星系統發展得比較晚，因此在數個性能方面比GPS更優，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公信力，單方面給導航領域的里程碑式人物/人群/技術頒個獎，簡單描述他們的偉績：

（圖/文：太平洋汽車網 黃恒樂）