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从此不再惧怕迷途 铸剑为犁之车载导航

王啸辰 向Ta提问

来源:网通社 原创 2018-10-24 07:00

在筹备本期《铸剑为犁》选题时我想起了一个多年前的经历,那是一次久违的同学聚会,当大家如期抵达集合地后发现有一位同学迟到了,于是我给他打电话寻问情况,他说自己快到了,但是找不到具体集合地点在哪里。我问对方现在在哪,他自己也说不清楚确切位置。我让他找到一个明显的地标性建筑,想以此判断他大概位置。没想到,对方想了半天说了一句:“嗯……我面前是一棵大树……”。这个故事告诉我们,在前往陌生目的地时掌握自己的所在位置是多么重要,随着我们用车场景的延伸,定位和导航的重要性自然也更为突出了。

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在今天,无论是车载导航还是手机中各种导航App都是我们十分熟悉的定位工具,但放在几十年前,这项便捷的技术可不是寻常百姓人能时刻享受到的。本期选题,我们来聊聊车载导航技术的过去、今天与未来。

从“观天象”到读坐标 为了精确定位我们用了上千年

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在很久很久以前,人们的生活并不需要特别精确的定位,单纯靠肉眼观察太阳或月亮与地面的夹角就足够判断大致位置了。但是这个方法不仅只能获取十分粗略的定位,而且遇到阴雨天气就彻底“凉凉”了。到了15世纪末,人类开启了大航海时代,横跨大洋的远洋探索需要更为可靠和精确的定位技术才能实现。

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在大航海时代,出现了包括六分仪、航海钟、星图和航海天文年历等等,通过越来越高(复)级(杂)的工具和数学计算,人们可以在茫茫大海中知道自己相对精确的位置。不过由于篇幅有限+笔者的知识储备有限,这里就不再展开细聊了。

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后来随着电子技术的成熟,又出现了更为先进的无线电定位技术,与观测星空位置相比,无线电定位几乎不受天气因素的影响,这时我们才真正意义上实现了全天候定位能力。

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无线电定位的原理其实很简单,首先我们知道无线电波的传播速度是恒定的,其无线电发射源(至少3个)位置也已知,那么通过反复计算接受A、B、C发射源的无线电波时间差,就可以计算出精确位置。当然,发射源的数量越多我们计算出来的坐标就越精确。

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除了航海,无线电定位技术也在军事领域崭露头角,其在早期主要应用于轰炸机群的航向指引和舰船编队的导航。不过在军事领域,无线电定位也存在很明显的弊端。例如过分依赖无线电发射源(发射塔)的分布位置,在敌对区域很难实现定位功能等等。

卫星导航技术起源于军方的需求与资助

时间来到20世纪中期,随着火箭技术和人造卫星的出现,我们的定位导航技术迎来了崭新篇章。卫星导航概念最早由美国提出并投入使用,其原理本质上与无线电定位类似,只是定位信号源不再是地面固定的无线电塔,而是分布在天空中移动的卫星。

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在目前已经投入使用的卫星定位系统中,起步最早也是应用最广泛的当属美国的GPS全球卫星定位系统。因此我们以GPS系统为例,来简单介绍一下卫星定位系统的工作原理。当然除了GPS外,包括我国自主研发的北斗系统、俄罗斯的GLONASS系统和欧洲的伽利略系统等都已经投入使用。无论哪种卫星导航系统,其基本原理都大致相同的。

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在GPS导航系统大规模商用化之前,这项技术其实是由军方主导研发并率先应用的,总投资金额高达120亿美元,其整体发展历程包括了方案论证和初步设计阶段(70年代)、全面研制和试验阶段(80年代初)以及实用化组网阶段(80年代末)。时隔近日,GPS已经成为军事和民用领域重要的卫星定位系统之一。

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在军用领域,GPS提供了专门的高精度定位频段,可以实现厘米级的定位功能。有了高精度定位信号的帮助,这项技术在军事领域发挥了十分广泛且重要的用途。

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与此同时,GPS在90年代开始投放民用市场,并逐渐成为全球最重要的卫星导航服务之一。有意思的是,出于国家安全等方面的考虑,美国GPS系统的民用频段投放初期,还增设了SA干扰信号,导致其民用频段的定位精度只有100米左右。后来,随着美国军方研发出了新的技术手段,可以随时对特定区域的民用定位信号进行干扰,SA干扰信号才被取消,并一夜之间让民用GPS定位精度达到了10米左右。

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文章标签: 用车 导航 GPS 卫星定位 责任编辑:王啸辰
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