无人驱:精准导航哪家强?荆轲后悔刺秦王

2021-03-09 13:47:49 作者:黄恒乐
 
古代导航技术

  导航技术有多重要呢?

  中国古代四大发明就有一件导航仪器叫——指南针。

  相传四千六百多年前,轩辕氏和蚩(chī)尤在张家口郊区的涿(zhuō)鹿干仗,轩辕氏大军凭着司南车冲出蚩尤召唤的大雾,灭了蚩尤,统一中原,称“黄帝”。

无人驱:精准导航哪家强?荆轲后悔刺秦王

  见到这一幕,美军直呼内行。1991年海湾战争中,美国海陆空三军正是用此上帝视角吊打伊军,装甲部队靠着GPS定位(司南车)横穿伊军自己都不敢涉足的沙漠无人区(蚩尤大雾),降维打击,摧枯拉朽。

  在古代,定位与导航技术往往能关系到一个国家的兴亡。中国古代著名风险投资案例“荆轲刺秦王”,讲的就是燕国太子丹投资了一个刺杀秦王的项目,打算“死鸡撑饭盖”,让荆轲拿着燕国督亢地图(河北涿州/固安、北京房山)和樊於期(wū jī)的人头两样大礼去见秦王。

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  结果荆轲被临场掉链子的猪队友秦武阳坑了一道,自己作为一名刺客还跑不过胖球秦王,飞刀技术连国产凌凌漆的皮毛都没学到,最终浪费樊将军一颗帅帅的人头,还把燕国最高军事机密白送给秦王了。

  风萧萧兮看导航,地图一去兮不复还。

  除了(1)定向仪器和(2)高精度地图,古代导航技术还需要几个核心因素:(3)计时仪器、(4)测距仪器、(5)测速仪器。

  (3) 时间

  春秋时期的日晷,我们现在还在用,各大校园喜欢拿来装饰;西汉的铜漏,通过均匀漏水来计时;北宋的水运仪象台,现在被称为世界最早的天文钟,其擒纵器启示了我们机械表上的同名机构;西方玩机械钟之后,精准度一举超越了东方,后来还有20世纪70年代的石英革命,以及后文将讲到的原子钟。

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水运仪象台

  (4) 距离

  测量距离需要度量衡,古埃及人有腕尺,汉代有象牙尺,古英国有英尺(1 foot就是约翰王一个脚印的长度)。真要落到实地计算的话,以中华文明为例,我们用的是“记里鼓车”,把长度数据转化为脉冲信号来计数。测量距离的方式基本都是这套路,不赘述了。

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记里鼓车

  (5) 速度

  测量速度的原理,就是用距离除以时间,比如古代航海计时可以用沙漏(半分钟经典款),计算距离可以扔一个下方悬吊着铅块、被带节细绳牵着的浮标下水,计算半分钟扯出去几节,最终得出航速。我们至今计算航速都用“节”(knot),就源于“绳结”(knot)测速法。

无人驱:精准导航哪家强?荆轲后悔刺秦王

  说完时间、距离、速度三大要素,这时候就要有请另一个风投案例,人类第一成功的风投案例——西班牙伊莎贝尔一世投资给哥伦布的三条小船,换来一片新大陆……

  这么说吧,哥伦布这哥们数学特别不好(此外品德也很遭),把10600海里算成了3550海里,糊里糊涂就带着87号人出发了。因为久久不见大陆,船员们不耐烦要返航了,这哥们居然调了船上的技术装置少算点航程,别人非蠢既坏,他又蠢又坏,命运却点名让他找到了“印度”,当地人无缘无故成了印第安人Indian(印度人 Indian)。

  笔者翻译了一张航行地图,放在下方:

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  这么说来,西方文明在15世纪末异军突起,还得感谢奥斯曼帝国半世纪前攻破君士坦丁堡,截断了西欧诸国与东方贸易的所有陆路和海陆,西方文明只能在导航技术如此落伍的前提下,往西去找印度和中国。导航技术渣到爆的哥伦布,通过一系列失准得无语的计算,最终成为美洲本土文明的终结者,奠定了整个西方文明长达500年的国运上升期。

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  其实,南太平洋上的波利尼西亚人也是航海高手,这群源于中国华南的古人在5000年前就往南洋走,最终在新西兰东北的一大片太平洋海域谋生,“用独木舟征服太平洋”的传奇就是讲他们(下图是双船体,类似美国濒海战斗舰)。不过波利尼西亚人没什么科学的导航技术,他们靠跟着傍晚回巢的海鸟去找岛屿。

  翻译一下:波利尼西亚人自家没导航系统,借用了比同期人类文明更先进的海鸟导航系统,一举成为南太平洋的海贼王,实力躺赢。

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  中华文明发家早,在秦汉开始用牵星术,进入大航海时代的西欧人则喜欢用航海星盘,后来还有更精准的钟表法、月距法,到了18世纪中期出现六分仪,天文导航和地文导航相结合,就组建成全球的导航地图。关于地文导航还能多说一句,随船的舵师会将沿岸地势绘成图册,而岸边建立的灯塔也是一种重要的地理航标。

 
现代导航系统的雏形

  现在不少中小学都开展了使用指北针的定向越野比赛,更高级的无线电测向越野赛则使用测向机去找小型信号源。这两种导航方式分别代表了古典与现代

  自动驾驶汽车都少不了雷达,有毫米波也有超声波,这些传感器的职责是确认外界环境有什么、本车位于环境中的什么位置。

  在正儿八经的雷达问世之前,给航空器定位得靠这种仪器收集航空器的运行噪音:

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  雷达Radar一词的全称是RAdio Detection And Ranging,意为“无线电探测和测距”,比上图哥们的大耳机强多了。20世纪30年代英国建设起来的无线电测向防御链,利用了1865年麦克斯韦提出的“电磁场理论”,以及1997年赫兹证明电磁波存在的实验成果。如今频率的国际单位就是Hertz(赫兹),简写成Hz。

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  有了雷达,我们就可以测量出目标与雷达之间的三维空间关系,对潜艇、飞行器、车辆进行精确定位。

  盟军有雷达,德军则有V1巡航导弹。V1的制导系统比较原始,用陀螺仪、空速计、机械计时器、高度仪组成惯性制导系统,工程师根据A/B两地的地图坐标设定飞行方向和时间, 飞行够预定时间后自动切断油路,导弹失去动力掉下去。

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  这种惯性导航的偏差有数十公里,如果阿波罗11号用这套导航系统登月的话,估计发射上天就成太空垃圾了。

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  因为要严谨地计算弹道才能精准导航,因此二战之后美国迅速组建了电子管计算机的研发部门,背后的大佬是美国陆军弹道研究实验室。1969年7月20日,阿波罗11号在登月计算机的导航下完成了人类首次登月任务,精准抵达38万公里外的月球静海基地。

 
现代导航系统的井喷期

  导航Navigation的词源来自拉丁语Navigationem,词义是海上航行,成型于16世纪30年代,并一直沿用到今天,服务四大领域:陆上导航、航海导航、航空导航、太空导航。

  现代航海导航需要很精准地计算以下三大要素:

  (1)  纬度

  (2)  经度

  (3)  等角航线(斜航线/恒向线/等倾角螺旋线)

  陆地和空中则需要加:

  (4)  海拔

  (5)  方向

  (6)  速度 

  (7)  航行路径 

  (8)  航路信息 等等

  在GPS还没普及的年代,航空器驾驶舱是安装有“观星窗”的,当电子系统无法工作时,飞行员可以利用古老的导航技术进行模糊导航。

  目前生产的民航客机都没有观星窗了,这玩意巨晒,会把英俊的飞行员晒早秃的。

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  当然,目前生产的汽车基本都配备了卫星导航系统,不在需要“观星窗”了,但全景天窗这种复古配置仍然深受大家喜爱。

  说回现代导航技术。我们平时接触得比较多的是汽车导航与飞行器导航,后者有个著名的案例——MH370。

  事故发生时,距离航空器使用现代导航技术已经整整半世纪了,居然还能发生飞机凭空消失的事情。早在1947年,美国就用一台C-47完成了跨大西洋自动驾驶航行,如今的民航客机则会在出发之前输入导航点。

  比如我们要从ZGGG(广州白云)飞到EGLL(伦敦希思罗),我输入ICAO代码之后就能得到航路全程的118个导航点(机场本身也是导航点),航路里程5361.33海里。

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  以下是部分导航点的截屏:

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  为什么航空器的航程用海里来计算呢?因为我们先造的船,后造的飞机……

  前文我们提到了“节”(kont),下面是演算:

  1海里Nautical mile = 子午线的1分 = 子午线长度的两倍÷360÷60≈1852m

  1节=1海里 / 1小时= 1852m / 3600s

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  好了,有了以上精准的导航模式,为什么MH370还会迷航呢?这是一个可能被刻意隐瞒的未解之谜,本文作者没有能力解答,不过我想补充几个与导航系统的想法供参考:

  1、自动驾驶系统的导航:太阳神航空522号航班事故中,737-300加压失败导致全员失压缺氧昏迷,飞机自动驾驶了3小时后耗尽燃料坠毁。对于这种迷航的飞机,领空国的战斗机会紧急升空查看情况,希腊空军两架F-16就发现552号成了完全无人驾驶的“幽灵航班”。

  2、 人类驾驶员的导航:除了会自动驾驶之外,民航客机的飞行也重度依赖正副机长的判断与操作,不过电子系统与人类操作有时候也会打架。2002年的乌伯林根空难就是空中防撞系统(TCAS)与瑞士航空导航服务公司(Skyguide)的命令“打架”造成的。考虑到马航最有可能是单方事故,所以这个原因排除。

  3、发动机监控:MH370的遄达800发动机拥有发动机健康管理系统(Engine Health Management System)有信号接收与发射装置,罗尔斯·罗伊斯通过卫星实时监控旗下的发动机。数据称MH370飞了5小时,而不是一个多小时,此处疑点重重。

  4、地面雷达:地面有一次雷达与二次雷达,其中一次雷达是地面发射信号到航空器被动反射,二次雷达是地面发射信号到航空器,后者主动应答带编码的航空器当前运行状态信息。

  5、ACARS:飞机通信寻址与报告系统(Aircraft Communications Addressing and Reporting System)在上世纪80年代末开始使用,包含空中交通管制、航空运行控制、航线管理控制三种报文,经由地面基站/卫星通信。在卫星监控下都能跑丢,这得是什么骚操作。

  6、ADS-B:广播式自动相关监视系统(Automatic Dependent Surveillance Broadcast)这个玩意就是个空中无线电大喇叭,一路飞就一路对外喊“我是XX,现在坐标XX,速度XX”。

  有以上6种备份的系统冗余还能拉胯,除了人为刻意为之,基本不可能有其他解释……

 
汽车导航系统的萌芽期

  在数字化汽车导航系统出现之前,机械式滚动地图导航系统已经出现了,下图是1964纽约世博会展出的福特Aurora概念车内饰。这款机械式滚动地图还带能通过轮速和转角感应器来累计车辆的位移,对其进行模糊定位。

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  机械式滚动地图的设计师不知是不是受到中国卷轴画“移步换景”手法的影响,亦或是了解过荆轲刺秦王的典故……好吧,这次地图到了尽头也不会出现一把刀。

  其实这种机械式滚动地图在20世纪20年代初就已有雏形,但远远不如手持全尺寸地图好使,产业链没培育起来,成本相对高,因此未火。

  本田后来将这种地图发扬光大,装在1981年的二代Accord(雅阁)的仪表台上,原理跟福特的一样,不过地图库里只有日本。

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  1986年,日本Clarion(就是做车机的那个歌乐)在伯明翰车展推出了C-AVCC(汽车视听计算机通讯系统),这套系统配备了车载话筒,驾驶者打客户电话报上目的地之后,各个导航点将通过车载打印机打出来,驾驶者再将导航点输入导航系统。

  这跟前文笔者讲航空器导航点的那段对上了。(习惯性埋梗)

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  1987年,荷兰的飞利浦研发了一种名为Carin的离线导航系统,不使用盒式磁带,改用字磁盘来储存地图资料,数据密度是磁带的4倍左右。将Carin和RSD(无线电数据系统)配合使用,可以用车载语音系统指引你避开交通堵塞、道路施工、结冰路面。

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  通用汽车1989年给出了一项全新的选装件——Etak导航仪。Etak来自波利尼西亚语(前文我们提到的南太平洋海贼王的语言),翻译过来就是“精确定位”。

  波利尼西亚人拥有古代最先进的导航术,美国人则拥有现代最先进的导航术。Etak导航仪算得上第一台量产化的民用版汽车导航,虽然这种离线导航不如当时的军用GSP在线导航精准,但美国在2000年才将未削精度的GPS信号公开民用。

  Etak的离线地图源自当地城市的地图磁带,每一盘磁带需要35美元,整套导航则需要1400美元,大约相当于现在的三台顶配iPhone。

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  1996年,通用推出了新的数字化导航OnStar。没错,就是今天的安吉星,它才是汽车卫星导航的鼻祖,现在那些所谓智能汽车要拜祖师爷的话记得别拜错了。

  首批OnStar在凯迪拉克Deville、Seville、Eldorado三个车系上运用,当时也只有豪华品牌用得起卫星导航。

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  卫星导航时代的来临,跳出了永远不可能精准的离线地图领域,实时地、主动地校对当前方位,真正做到时效与精度不拉胯。关于当前卫星导航领域的各大主流品牌,笔者就不多描述了,只说一个安吉星的真实段子吧:

  有位通用车主酒驾之后撞上护栏,单方面事故,然后那货下车打电话叫人来顶包,好让保险的人来拖车定损。

  与此同时,安吉星服务台即使询问车里情况,发现没人应答,以为车主晕过去了,就就报110报120了。后来警察比顶包的人来得还早,人民警察出警速度一级棒。人就被抓了。

 
全球卫星导航系统的建立

  OnStar的雏形是1966年发布的DAIR系统(Driver Aid, Information and Routing),当时测试车中的“救援、通讯、导航”便是日后OnStar的主要功能。当时的DAIR使用V2X技术,车辆与预埋在城市路面下的磁性元件通讯进而导航,OnStar则是基于美国太空技术的优势发展出来的。

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  美国海军在1958年开始研制子午仪卫星定位系统(Transit Navigation Satellite System),1964年正式投入使用,这就是全球第一套卫星导航系统。此时距离大航海时代(我们拿哥伦布1492发现新大陆来算开始)仅仅过去400多年,哥伦布那种瞎画图、瞎算、瞎猜、瞎骗下属的导航术,就在新世界进化成了无所不知的卫星导航术。

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  1973年开始,美国开始建设全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System,),系统全名就是打击熟悉的GPS(Global Positioning System)。俄罗斯是在苏联解体后的1993年才开始沿着原计划做Glonass格格纳斯全球卫星导航系统。

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  笔者从当今世界的八个主要文明入手,罗列了现有的卫星定位系统,发现脱离文明的国家目前不配有对应的“世界观”:

  中华文明:北斗

  西方文明:伽利略+ GPS(欧盟+北美=基督普世文明)

  东正文明:Glonass格格纳斯

  印度文明:IRNSS

  日本文明:QZSS准天顶

  伊斯兰文明:(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:(不少学者不承认有统一的非洲文明)

全球卫星导航系统
系统北斗伽利略GlonassGPSIRNSSQZSS
拥有者中国欧盟俄罗斯美国印度日本
覆盖面全球全球全球全球南亚东亚
编码CDMACDMAFDMA
CDMA
CDMACDMACDMA
高度21150km23222km19130km20180km36000km32600km
39000km
绕地周期12.63h14.08h11.26h11.97h23.93h23.93h
Rev./S.day17/917/1017/8211
卫星北斗3:
28颗运作
5颗在轨验证
26颗工作
2颗备用
6颗将发射
24颗工作
1颗调试
1颗飞行试验
30颗工作3 GEO
5 GSO MEO
4颗工作
7颗待发射
频率

  1.561098 GHz (B1)
1.589742 GHz (B1-2)
1.20714 GHz (B2)
1.26852 GHz (B3)

1.559–1.592 GHz (E1)
1.164–1.215 GHz (E5a/b)
1.260–1.300 GHz (E6)

  1.593–1.610 GHz (G1)
1.237–1.254 GHz (G2)
1.189–1.214 GHz (G3)

  1.563–1.587 GHz (L1)
1.215–1.2396 GHz (L2)
1.164–1.189 GHz (L5)

  1176.45 MHz(L5)
2492.028 MHz (S)

  1575.42 MHz
(L1C/A,L1C,L1S)
1227.60 MHz (L2C)
1176.45 MHz (L5,L5S)
1278.75 MHz (L6)

状态运作中运作中运作中运作中运作中运作中
精准度民用:3.6m
军用:0.1m
民用:1.0m
​军用:0.01m
2-4m0.3-5.0m民用:1.0m
​军用:0.1m
民用:1.0m
​军用:0.1m
系统北斗伽利略GlonassGPSNavICQZSS

  大家可以看到,目前世界上只有数得上号的文明,才有技术和资金运营一套独立的全球卫星导航系统。

  全球卫星导航系统GNSS有多重要呢?只要美国一掐掉GPS信号,中国所有GPS设备都要瞎掉,包括共享单车。

  智能汽车时代已经逐步来临,GNSS就是新的霸权,谁有卫星群的精准导航信号,谁才有资格发展汽车重工业。

  因为北斗卫星系统发展得比较晚,因此在数个性能方面比GPS更优,毕竟我们是摸着鹰酱过河的。笔者在此后专辟一篇长文进行解读。

 
结束语:颁奖仪式

  受限于篇幅,笔者不能对更多古今导航领域中的牛人们进行全面描述。

  因此笔者凭着可以忽略不计的行业公信力,单方面给导航领域的里程碑式人物/人群/技术颁个奖,简单描述他们的伟绩:

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(图/文:太平洋汽车网 黄恒乐)

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