DavidBartlett, u-blox定位產(chǎn)品中心技術(shù)主管

ArmandoCaracheo, u-blox高級內(nèi)容主管

根據(jù) Google 提供的數(shù)據(jù)，目前有 5,465 顆衛(wèi)星在環(huán)繞地球軌道運(yùn)行，其中有 154 顆衛(wèi)星主要用于導(dǎo)航。后面這個數(shù)字看似微不足道，但這些創(chuàng)新的環(huán)地球軌道衛(wèi)星卻是大眾賴以訪問地理定位信息的有力支持。正是因為有了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 接收機(jī)，導(dǎo)航系統(tǒng)才能提供行駛中車輛的實時定位信息以及預(yù)計行程時間。除此之外，我們的手機(jī)中也嵌入了這些模塊，只要簡單操作一下就能隨時精準(zhǔn)確定自己的位置。

實體地圖的創(chuàng)新依賴于勘測、三角測量、制圖學(xué)和多種定位方法，所以今天這份便利來之不易，是數(shù)千年人類智慧的結(jié)晶。幾個世紀(jì)以來，實體地圖的一直以精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)為人們指明方向，幫助他們在不同的國家、城市和街區(qū)之間自由穿梭。時至今日，衛(wèi)星地理定位帶來了更便利的體驗，讓用戶能精準(zhǔn)、實時地了解自己的位置。這篇博文回溯了那些徹底改變我們定位方式的重要時間節(jié)點(diǎn)，以及工程師們?nèi)绾卫脛?chuàng)新靈感成就當(dāng)今的地理定位技術(shù)格局。

源于多普勒效應(yīng)帶來的靈感

與其他許多技術(shù)進(jìn)步一樣，地理定位技術(shù)也是源于一次意外，是在設(shè)計另一項技術(shù)時的副產(chǎn)品。第一顆衛(wèi)星由 1957 年由當(dāng)時的蘇維埃政府發(fā)射，其設(shè)計初衷是傳輸無線電波，這一事件為征服外層空間的競賽拉開了序幕，也帶來了基于衛(wèi)星的位置追蹤技術(shù)。雖然最先將衛(wèi)星發(fā)射到地球軌道的是俄羅斯的工程師，但他們當(dāng)時并未預(yù)計到這些設(shè)備在位置追蹤方面的潛力。美國工程師在研究發(fā)射電波的物體的運(yùn)動時，發(fā)現(xiàn)了這種應(yīng)用的前景。

多普勒效應(yīng)這種科學(xué)原理解釋了物體在發(fā)射射頻信號的過程中移動時會發(fā)生怎樣的情況，例如一輛行進(jìn)中的救護(hù)車或警車在開啟警笛時發(fā)出的聲音。作為觀察者，如果您不確定聲音來自哪個方向，不確定車輛是在接近您還是遠(yuǎn)離您，您可能會產(chǎn)生一種定向障礙的感覺。這種定向障礙源自于您的耳朵（相當(dāng)于接收機(jī)）感受到的頻率變化。在美劇《生活大爆炸》里，謝爾頓身穿以多普勒效應(yīng)為靈感的服裝參加萬圣節(jié)化妝派對，這段經(jīng)典情節(jié)讓多普勒效應(yīng)在流行文化中留下了濃墨重彩的一筆。

最初將這種科學(xué)原理付諸應(yīng)用的是美國工程師，他們監(jiān)控射頻信號隨著時間推移發(fā)生的頻率變化，并據(jù)此計算一顆衛(wèi)星的位置。這些信號從地球表面的某個地面站發(fā)射到衛(wèi)星。Frank T. McClure 注意到了逆轉(zhuǎn)電波的行進(jìn)方向時會發(fā)生的情況，由此取得了關(guān)鍵突破。這個突破瞬間掀起了衛(wèi)星定位技術(shù)的革命，促使衛(wèi)星轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l電波發(fā)射機(jī)，開啟了在地面判斷接收者位置的新篇章。

McClure 的創(chuàng)意很快就在霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室得到了實際檢驗，隨即催生了第一款衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)子午儀 (Transit)。第一個衛(wèi)星星座的魔力數(shù)字是 5。也就是說，使用至少 5 顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)合理的定位精度。

先于GPS出現(xiàn)的子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

20 世紀(jì) 50 年代，子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)思成型，1964 年，該系統(tǒng)投入全面運(yùn)行。近地軌道 (LEO) 上的衛(wèi)星星座向船舶、航空器和其他運(yùn)輸裝置發(fā)送射頻信號，幫助子午儀系統(tǒng)測量多普勒頻移，從而確定這些運(yùn)輸裝置的位置。該系統(tǒng)的設(shè)計用于海事導(dǎo)航，提供合理的定位和授時信息，滿足民用需求。

在多年發(fā)展歷程中，子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過多次升級改進(jìn)，提升了覆蓋范圍和導(dǎo)航精度，為衛(wèi)星地理定位技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，但仍然存在自身的局限性。

1978 年，第一顆 GPS 衛(wèi)星發(fā)射成功。盡管借鑒了子午儀系統(tǒng)的經(jīng)驗教訓(xùn)，但 GPS 衛(wèi)星的工作原理截然不同。GPS 衛(wèi)星屬于中軌道衛(wèi)星 (MEO)，依靠原子時鐘通播精準(zhǔn)的授時信號。地面接收機(jī)考慮衛(wèi)星發(fā)射的信號到達(dá)接收機(jī)所需的時間，并計算位置。在這種情況下，同時運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量越多，精度就越高，這就是所謂的“三邊測量法”。

啟程，第一款車輛導(dǎo)航系統(tǒng)

為了繼續(xù)講述這個故事，有必要先稍微偏離一下主題，將衛(wèi)星地理定位技術(shù)的發(fā)展史與車輛導(dǎo)航系統(tǒng)串聯(lián)起來。汽車?yán)锏膶?dǎo)航系統(tǒng)能精準(zhǔn)指引您從一個地點(diǎn)前往另一個地點(diǎn)，這聽起來似乎非常簡單，但這種技術(shù)的構(gòu)思、實際實施和精準(zhǔn)工程設(shè)計用了幾十年時間才完成。

20 世紀(jì) 70 年代末，發(fā)動機(jī)性能大幅度提升，日本汽車業(yè)開始將注意力轉(zhuǎn)向電子技術(shù)。工程師 Tagami Katsutoshi 設(shè)計出了第一款可集成在汽車中的導(dǎo)航系統(tǒng)。經(jīng)過多次修改，Tagami 的團(tuán)隊于 1981 年推出了本田電動陀螺儀，其中使用了陀螺儀、地圖膠片和氦推進(jìn)器。其背后的原理是慣性導(dǎo)航，是汽車運(yùn)動所固有的一種原理。通過了解出發(fā)點(diǎn)、車輛速度和行進(jìn)方向，即可了解汽車在一定時間后的位置。

車載地圖：數(shù)字地圖與GPS接收機(jī)結(jié)合

模擬地圖到數(shù)字地圖的進(jìn)化帶來了以下重大貢獻(xiàn)。最初的應(yīng)用場景需要用到包含數(shù)字地圖的磁帶，只要從城市中的一個區(qū)域換到另一個區(qū)域，就需要更換磁帶。從地圖顯示的角度而言，這是一個十分重要的里程碑。更重要的是，數(shù)字地圖在電子世界與衛(wèi)星地理定位之間架起了一座橋梁，也讓慣性導(dǎo)航原理得以付諸應(yīng)用。無論如何，過渡到數(shù)字化為電子地圖測繪與衛(wèi)星地理定位的整合創(chuàng)造了條件。

1983 年，美國總統(tǒng)羅納德·里根允許 GPS 技術(shù)商業(yè)化，并用于民事用途。六年之后，Magellan Navigation 公司發(fā)布了第一款 GPS 接收機(jī)。一年之后的 1990 年，汽車市場上出現(xiàn)了首款可以使用衛(wèi)星地理定位的車型。雖然該系統(tǒng)在這一年投入使用，但一直到了 1993 年，才通過 24 顆衛(wèi)星實現(xiàn)了全面正常運(yùn)作。

衛(wèi)星地理定位問世以來，汽車業(yè)借此取得了顯著進(jìn)展，但這項技術(shù)也給其他行業(yè)部門帶來了極大的好處。下面我們來看衛(wèi)星定位技術(shù)給其中一個行業(yè)帶來的影響。

手機(jī)地圖：GIS、航空攝影和谷歌地圖

21 世紀(jì)初，地理定位集成到了另外一種應(yīng)用廣泛、供數(shù)百萬人每天使用的技術(shù)之中：智能手機(jī)地圖應(yīng)用。地圖應(yīng)用的歷史始于第一款數(shù)字化計算機(jī)地圖。ESRI（環(huán)境系統(tǒng)研究所）是在這個領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展的先鋒企業(yè)。

該公司由 Jack Dangermond 創(chuàng)辦于 1969 年，其創(chuàng)新成果為地理信息系統(tǒng) (GIS) 技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。這項技術(shù)整合了衛(wèi)星圖、用戶和內(nèi)容提供商提供的數(shù)據(jù)以及航空攝影。

2004 年，丹麥兄弟 Lars Eilstrup Rasmussen 和 Jens Eilstrup Rasmussen 利用 GIS 技術(shù)開發(fā)出了 Google 地圖。這項服務(wù)最初并不是為智能手機(jī)打造的，但在后續(xù)三年間，Eilstrup Rasmussen 兄弟逐漸形成了將其用于智能手機(jī)的想法。

航空攝影起源于 19 世紀(jì)的熱氣球攝影和風(fēng)箏攝影，對于地球測繪有著至關(guān)重要的意義，GIS 技術(shù)只是其中的一個應(yīng)用領(lǐng)域。2005 年，Google 收購了提供地球航空照片的公司 Keyhole。這次收購是 Google Earth 問世的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在隨后的兩年中，工程師們?nèi)σ愿?，推出?Google 地圖。最后，在 2007 年底，Apple 發(fā)布了首款配備輔助 GPS 定位技術(shù)的移動設(shè)備，其背后的技術(shù)就是 Google 地圖。這是地理定位走向普羅大眾的重要節(jié)點(diǎn)；自那之后，人人都能通過手機(jī)輕松確定自己的當(dāng)前位置，而且只需要在手機(jī)上輕點(diǎn)幾下就能實現(xiàn)。

向這些杰出的工程師致敬！

在超過半個世紀(jì)的全球地理定位技術(shù)發(fā)展歷程中，全球各地都閃耀著極具變革意義的關(guān)鍵時刻、極具創(chuàng)新想法的業(yè)界偉人以及值得行業(yè)永遠(yuǎn)傳唱的歷史性事件，這些時刻、人物和事件，宛如夜空群星一般，對全球地理定位技術(shù)發(fā)展起到至關(guān)重要的推動作用，這其中也不乏來自中國的閃光時刻，北斗系統(tǒng)已在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信授時、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，服務(wù)國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)已被電子商務(wù)、移動智能終端制造、位置服務(wù)等廠商采用，廣泛進(jìn)入中國大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)和民生領(lǐng)域。透過這些歷史長河中的閃光時刻，我們可以看到一些人乃至一些國家在某時某刻如何迸發(fā)出富有遠(yuǎn)見卓識的創(chuàng)意，這些創(chuàng)意又是如何像拼圖一般巧妙地拼合在一起，形成了衛(wèi)星地理定位技術(shù)，讓衛(wèi)星地理定位技術(shù)變得更精準(zhǔn)、更可靠，更讓導(dǎo)航系統(tǒng)成為今天我們的日常生活中必不可少的一部分。

開發(fā)基于衛(wèi)星的地理定位的工程師的貢獻(xiàn)、第一款車載導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS 接收機(jī)、地圖應(yīng)用和配備 GPS 定位的移動設(shè)備共同發(fā)揮作用，推動地理定位技術(shù)發(fā)展到今天的模樣。或許這些工程師曾經(jīng)暢想過自己的開發(fā)成果帶來的影響，但他們不可能預(yù)見到自己的工作產(chǎn)生的全部貢獻(xiàn)。

/關(guān)于u-blox公司/

瑞士u-blox公司(SIX:UBXN)專注于為客戶提供豐富的芯片和模塊產(chǎn)品以及全面的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，賦能客戶以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位與萬物互聯(lián)。我們憑借業(yè)界領(lǐng)先的解決方案持續(xù)推動未來汽車與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的創(chuàng)新升級。u-blox公司總部設(shè)于瑞士蘇黎世塔爾維爾，目前全球員工約1,400名，可為客戶量身打造出兼具精準(zhǔn)、智能和可持續(xù)性的解決方案。