文|天 星
超越历史的坐标
文|天 星
导航的历史可以追溯到人类诞生的第一天。原始人类凭借地理特征和周边环境确认方向、方位、距离和时间，出外狩猎并找回自己的家园。随着历史的发展，人类发明了多种定位和定向方法，现在有了卫星导航，其他导航方式几乎销声匿迹。智慧永远领先于技术。
在法属圭亚那的亚利马波海滩上，小海龟们破壳而出。它们纷纷钻出沙土，睁开眼睛观察陌生的世界。百分之百的小海龟毫不犹豫地朝大海的方向爬去，迅速离开海滩进入大海。海龟极少会成群结队地追逐鱼群或水母，在大多数情况下总是孤独地游荡着。令科学家惊奇的是海龟巡游四方甚至到达大洋的另一边，无论在哪里出生的小海龟，长大成“人”后会重新回到20多年前原来的出生地繁殖产卵。最令人惊叹的是不论海龟身处何地，一旦到了繁衍季节都会在同一时间回到同一海滩，在时间上基本没有误差，空间上也毫无偏差。
海龟靠什幺能精准地回到自己的老家呢？美国北卡罗来纳大学的海洋生物学家肯尼斯和凯瑟琳·罗曼破译了海龟回家的秘密——地球磁场的力度和方向。在地球上，每一个地理区域都会产生独特的磁场图。海龟自身拥有定位系统，能探测并区别不同海域的磁场，利用地球磁场中磁量值的变化并汇编成一张“磁场图”，为前往特定的捕食区和繁殖地导航。
动物具有天生的导航能力。“老马识途”是指聪明的老马能根据周边参照物和记忆能力找到道路。燕子、大雁等候鸟天生具备根据恒星分布进行定向的能力，从秋天出发到春天回家，飞行上万千米也不迷失方向，能精确找到去年的老窝。科学家发现，白昼迁徙的鸟类多利用太阳或者地面景观导航定位，夜间迁徙的鸟类利用月光和星座导航。鲸鱼、洄游鱼类对地球磁场的强度、方向的差别十分敏感，通过地球磁场为自己绘制一张导航地图。
时空坐标
导航是辨别、定位、定向、记忆和行动的一种方式，具有时间和空间的特征。它能提供时间信息和空间信息，是将载体从一个位置引导到另一个位置的概念。“导航”一词源于拉丁文“Navigate”，有“船”和“速度”的意思。
导航的历史可以追溯到人类诞生的第一天。原始人类凭借地理特征和周边环境确认方向、方位、距离和时间，出外狩猎并找回自己的家园。当人类迷失方向则会走向更远的远方。为了寻找更好的家园，人类从非洲走向欧亚大陆，再走向五大洲。
随着历史的发展，人类发明了多种定位和定向方法，如根据太阳指引方向，利用夜空的星座、北极星、北斗七星确认方向，利用司南、罗盘、指南针、灯塔、浮标等装置确定方向与方位。公元1040-1117年间，中国的指南针应用于导航，将人类的导航历史从原先人们凭借主观判断飞越为科学仪器确定方位。
导航与航海密切相关。古欧洲人在地中海和爱琴海航行，水手观察和了解风向、海岛、海礁，以及太阳和星星的位置确认方位。公元前3世纪，古希腊人已经开始使用小熊星座进行导航。公元前270年，埃及人在亚卓历山港建造了世界上第一座灯塔——法洛斯灯塔。
15-16世纪，位于欧洲最南端伊比利亚半岛的葡萄牙与西班牙的航海家们掀起了大航海时代。1492年，哥伦布探险队跨大西洋航行；1505年，葡萄牙航海家麦哲伦第一次远征，就是凭借一只指南针、一支单筒望远镜开始了地理大发现，证实地球是圆的。哥伦布和约翰·卡博特在跨大西洋航行中主要是靠月球距离法或海洋计时，推算航位确定经度。1608年，荷兰人发明并使用罗盘、沙漏、海星盘和地球仪，同时诞生了第一本航海手册。1731年，英国人哈德利和美国费城人戈弗雷各自发明了一种新的航海仪器——八分仪，使得纬度的计算更加准确，达到立竿见影的效果。1757年，约翰·坎贝尔在八分仪的基础上制造出更精确的六分仪，通过观测月球与星星之间的位置关系，进行天文经度精确测定，计算出在海上的经度位置。
为了记忆导航和坐标，世界上出现了地图。地图提高和简便了行动方式，增强了人们的方向、方位意识，扩大了人们的视野和思维。1457-1459年间，威尼斯人弗拉毛罗画出了威尼斯地图。他在直径大约2平方米的羊皮纸上绘制了一张圆形平面地图，被称为“中世纪最伟大的地图”。1631年，皮埃尔绘制了相当精确的美洲地图。1689年，第一张世界地图诞生。
1899年，英国爵士马修斯提出利用无线电确定方向的想法。1906年，意大利无线电电报公司在一艘船上安装了第一台无线电测向仪。1921年，人们第一次安装无线电信标。科学家发现，可以利用雷达电波进行导航。1937年4月，第一个原型舰载雷达系统安装在美国军舰上。
到莱特兄弟发明飞机之前，人们仍处于靠地图进行平面导航的阶段。随着飞机等航空器的大量涌现，对高度、速度、经纬度和三维坐标提出了更严格的要求，因而出现了空间导航。因为宇宙是由空间和时间组成的，所以空间导航必须量化时间和引入时间导航。时间导航就是随时提供时间信息。导航必须同时存在空间导航与时间导航。一架飞机只有在空间上知道自己的坐标，在时间上知道自己的数据，才能准确航行。随着科技的进步，导航的概念、方式、技术都发生了深刻的变化和突飞猛进的发展，终于形成了专门的导航学科。
寻找地球刻度
经度和纬度是导航的最基本参数。人类不但为地球界定了经纬度，也为月球、火星、水星、土星等行星和卫星划定了经纬度。在大航海时代，哥伦布们很容易地在非洲赤道确认了0°纬度，而经度却迟迟确定不了，因为地球是椭圆的。荷兰天文学家杰马·弗里西斯提出“以时间确定经度”的原理，即任意两地的经度差是以时差来计算的，但当时连一只精确的钟表都没有，更别谈精确测定两地的时差。各国出版的地图都感情用事地以自己的首都或天文台所在的经度为0°经度。船长们甚至没有经度的概念，常以某次航行的起点为0°经度，因此，在航海日志里经常出现如“好望角东260°32′”这样的滑稽数据。
为了寻找和测量经度，必须先确定地球自转的角速度是不是均匀的。号称“英国钟表之父”的托马斯·托姆皮恩为格林尼治天文台制作了2座钟摆长近4米的大钟，安放在八角屋内。令人惊奇的是大钟至今每年误差不超过2秒。弗兰斯蒂德认为，地球是匀速转动的。弗兰斯蒂德要在格林尼治天文台画一张精准的星图。他把天文望远镜架设在一条子午线上，天天记录星星出现的位置、方向和时间。他这样工作了43年直到去世。
那幺，到底该怎样精确确定经度呢。1714年，英国国会批准并任命牛顿成立“经度委员会”，并设立“经度奖”，最高赏金达2万英镑，相当于今天的120万美元，用巨额悬赏确定经度也许是加快确定速度的好方法。重赏之下，必有勇夫。“经度委员会”收到很多奇思妙想，也收到许多啼笑皆非的馊主意，特别是有位自称“半仙”的魔法师，发明了一种能精确确定经度的神秘“怜悯药粉”，符合“以时间确定经度”的原理。该“半仙”称可以找一批狗，把狗的后腿上砍上一刀,成为能感知痛苦的狗。每艘船配备一条这样的狗。每到中午12时，伦敦就把砍狗的刀上撒上“怜悯药粉”，那些船上的狗顿时感知被砍的滋味而痛苦狂叫。船长根据狗叫声计算伦敦与航船的时差，从而计算出经度。
1719年，格林尼治第二任台长哈雷接续工作。1730年的一天，英国钟表匠约翰·哈里森带着自己设计的一台航海钟来到格林尼治天文台，称可“以时间确定经度”。6年后，哈里森的第一台“航海钟H-1”问世，但不精确。在后来的19年里，哈里森屡次向“经度委员会”申请资助未果，但仍孜孜不倦地追求设计精确的航海钟。1763年，哈里森花了40多年终于制作了一台新的航海钟“H-4”，实际上就是一块大怀表。经过47天的航海测试，“H-4”时间误差仅为39.2秒，比“经度委员会”所要求的标准还要精确。但“经度委员会”只愿意付给哈里森一半奖金，另一半要等到验收之后支付。哈里森最终在国王查理三世的帮助下拿到了全部奖金2万英镑。哈里森不是天文学家，也不是数学家和物理学家，他从钟表匠的角度找到了“以时间确定经度”的仪器。哈里森被称为“寻找地球刻度的人”。
1766年，格林尼治天文台第5任台长马斯克林内出版了英国第一本航海历，以3小时为间隔给出了全年月亮相对于太阳和主要恒星的位置。航海者通过对比航海历与星空图像，再加上“H-4”，终于能够准确定位经度了。1880年8月2日起，格林尼治平均时间被定为英国标准时间。1884年，第7任台长艾利上任后，终于确定国际本初子午线，也就是经度0°线。格林尼治子午线逐渐成为全世界的标准，被大多数航海家接受，并一直沿用至今。
追赶智慧的赛跑
人类凭借智慧和现代科学技术研究发明了许多新的导航技术。例如，惯性导航、天文导航、无线电导航和卫星导航，以及多种方法的组合导航。
惯性导航：惯性导航基于运动传感器的航迹推算航程。在飞机、轮船和车辆等载体上安装惯性测量单元和惯性导航器，以测量载体相对于惯性空间的航向、速度和经纬度等运动参数，并经航迹推算后得出空间坐标，可从现在位置已知的航向和航速预测未来航行。惯性导航一旦确定最初的经度和纬度后，系统即接收来自移动探测器的信息，测量脉冲沿三个或更多的方向加速度，使其能够不断地、准确地计算当前的经度和纬度。惯性导航相较其他导航系统的好处是，一旦设置了起始位置，它不需要外界信息，不会在恶劣天气情况下无法检测或被卡住。它的缺点是，由于只计算以前的位置，误差累积较大；人为误差、指南针或罗盘误差、任何其他外部影响都会造成精确度不够。因此，惯性导航系统必须经常从其他类型的导航系统得到信息，以纠正、修复目前的位置。美国海军在“北极星”导弹研制计划中，为确保导弹潜艇的安全、可靠和准确，常采用惯性导航系统（SINS）。惯性导航系统曾被广泛使用，直到卫星导航系统（GPS）独霸天下后方被取代主导地位。
天文导航：通过观测太阳、月亮、行星和恒星的天体位置，测定经纬度和航向的技术，用于航海、航空和航天导航。天文导航系统是自主式系统，无需地面发射设备，不受电磁场的干扰，隐蔽性好，定向定位精度高。
无线电导航：无线电信号台或无线电航标（RDF）发射无线电信号，在船舶和飞机上的无线电测向仪就能寻找方向。无线电信号台组成网络，船舶和飞机通过测量几个方向就能计算并确定方向、方位、距离、航速和高度等。由于无线电导航能“超视距”接收，达到很远的距离，所以它使船舶可在大海航行、飞机在高空飞行不迷失方向、消除偏差并保持正确航线，是特别良好的导航系统。任何商业广播电台都可以充当无线电航标和灯塔电台。它们由于高功率、靠近主要城市，因此特别简单有用。无线电导航系统有无线电罗盘、“达艺”导航系统、“德卡”导航系统、“欧米茄”导航系统、“罗兰-C”导航系统、多普勒导航系统以及卫星导航系统等。利用雷达电波进行导航的雷达导航也属于无线电导航。雷达导航更精确，用于比较专业的军事和航空。
卫星导航：一项利用导航卫星播发的无线电信号进行导航定位的技术。卫星导航以卫星为空间基准点，向用户终端播发无线电信号，从而确定用户的位置、速度、时间、海拔和经纬度等信息，不受气象条件、航行距离的限制，导航精度高。全球导航卫星系统只要一台小型电子接收器，如车载、手机，甚至通过电脑都可以确定各种定位信息和运动信息。
组合导航：两种或两种以上导航技术组合的系统。组合系统多以惯性导航系统作为主要分系统，如惯性/多普勒导航系统、惯性/欧米茄导航系统、惯性/天文导航系统、惯性/卫星导航系统等。
现在有了卫星导航，其他导航方式几乎销声匿迹。智慧永远领先于技术。
