全球地理定位技术的发展历程

David Bartlett, u-blox定位产品中心技术主管

Armando Caracheo, u-blox高级内容主管

根据 Google 提供的数据，目前有 5,465 颗卫星在环绕地球轨道运行，其中有 154 颗卫星主要用于导航。后面这个数字看似微不足道，但这些创新的环地球轨道卫星却是大众赖以访问地理定位信息的有力支持。正是因为有了全球导航卫星系统 (GNSS) 接收机，导航系统才能提供行驶中车辆的实时定位信息以及预计行程时间。除此之外，我们的手机中也嵌入了这些模块，只要简单操作一下就能随时精准确定自己的位置。

实体地图的创新依赖于勘测、三角测量、制图学和多种定位方法，所以今天这份便利来之不易，是数千年人类智慧的结晶。几个世纪以来，实体地图的一直以精准的数据为人们指明方向，帮助他们在不同的国家、城市和街区之间自由穿梭。时至今日，卫星地理定位带来了更便利的体验，让用户能精准、实时地了解自己的位置。这篇博文回溯了那些彻底改变我们定位方式的重要时间节点，以及工程师们如何利用创新灵感成就当今的地理定位技术格局。

源于多普勒效应带来的灵感

与其他许多技术进步一样，地理定位技术也是源于一次意外，是在设计另一项技术时的副产品。第一颗卫星由 1957 年由当时的苏维埃政府发射，其设计初衷是传输无线电波，这一事件为征服外层空间的竞赛拉开了序幕，也带来了基于卫星的位置追踪技术。虽然最先将卫星发射到地球轨道的是俄罗斯的工程师，但他们当时并未预计到这些设备在位置追踪方面的潜力。美国工程师在研究发射电波的物体的运动时，发现了这种应用的前景。   

多普勒效应这种科学原理解释了物体在发射射频信号的过程中移动时会发生怎样的情况，例如一辆行进中的救护车或警车在开启警笛时发出的声音。作为观察者，如果您不确定声音来自哪个方向，不确定车辆是在接近您还是远离您，您可能会产生一种定向障碍的感觉。这种定向障碍源自于您的耳朵（相当于接收机）感受到的频率变化。在美剧《生活大爆炸》里，谢尔顿身穿以多普勒效应为灵感的服装参加万圣节化妆派对，这段经典情节让多普勒效应在流行文化中留下了浓墨重彩的一笔。

最初将这种科学原理付诸应用的是美国工程师，他们监控射频信号随着时间推移发生的频率变化，并据此计算一颗卫星的位置。这些信号从地球表面的某个地面站发射到卫星。Frank T. McClure 注意到了逆转电波的行进方向时会发生的情况，由此取得了关键突破。这个突破瞬间掀起了卫星定位技术的革命，促使卫星转变为射频电波发射机，开启了在地面判断接收者位置的新篇章。

McClure 的创意很快就在霍普金斯大学应用物理实验室得到了实际检验，随即催生了第一款卫星导航系统子午仪 (Transit)。第一个卫星星座的魔力数字是 5。也就是说，使用至少 5 颗卫星的数据即可实现合理的定位精度。

先于GPS出现的子午仪卫星导航系统

20 世纪 50 年代，子午仪卫星导航系统的构思成型，1964 年，该系统投入全面运行。近地轨道 (LEO) 上的卫星星座向船舶、航空器和其他运输装置发送射频信号，帮助子午仪系统测量多普勒频移，从而确定这些运输装置的位置。该系统的设计用于海事导航，提供合理的定位和授时信息，满足民用需求。

在多年发展历程中，子午仪卫星导航系统经过多次升级改进，提升了覆盖范围和导航精度，为卫星地理定位技术奠定了基础，但仍然存在自身的局限性。

1978 年，第一颗 GPS 卫星发射成功。尽管借鉴了子午仪系统的经验教训，但 GPS 卫星的工作原理截然不同。GPS 卫星属于中轨道卫星 (MEO)，依靠原子时钟通播精准的授时信号。地面接收机考虑卫星发射的信号到达接收机所需的时间，并计算位置。在这种情况下，同时运行的卫星数量越多，精度就越高，这就是所谓的“三边测量法”。

启程，第一款车辆导航系统

为了继续讲述这个故事，有必要先稍微偏离一下主题，将卫星地理定位技术的发展史与车辆导航系统串联起来。汽车里的导航系统能精准指引您从一个地点前往另一个地点，这听起来似乎非常简单，但这种技术的构思、实际实施和精准工程设计用了几十年时间才完成。

20 世纪 70 年代末，发动机性能大幅度提升，日本汽车业开始将注意力转向电子技术。工程师 Tagami Katsutoshi 设计出了第一款可集成在汽车中的导航系统。经过多次修改，Tagami 的团队于 1981 年推出了本田电动陀螺仪，其中使用了陀螺仪、地图胶片和氦推进器。其背后的原理是惯性导航，是汽车运动所固有的一种原理。通过了解出发点、车辆速度和行进方向，即可了解汽车在一定时间后的位置。

车载地图：数字地图与GPS接收机结合

模拟地图到数字地图的进化带来了以下重大贡献。最初的应用场景需要用到包含数字地图的磁带，只要从城市中的一个区域换到另一个区域，就需要更换磁带。从地图显示的角度而言，这是一个十分重要的里程碑。更重要的是，数字地图在电子世界与卫星地理定位之间架起了一座桥梁，也让惯性导航原理得以付诸应用。无论如何，过渡到数字化为电子地图测绘与卫星地理定位的整合创造了条件。

1983 年，美国总统罗纳德·里根允许 GPS 技术商业化，并用于民事用途。六年之后，Magellan Navigation 公司发布了第一款 GPS 接收机。一年之后的 1990 年，汽车市场上出现了首款可以使用卫星地理定位的车型。虽然该系统在这一年投入使用，但一直到了 1993 年，才通过 24 颗卫星实现了全面正常运作。

卫星地理定位问世以来，汽车业借此取得了显着进展，但这项技术也给其他行业部门带来了极大的好处。下面我们来看卫星定位技术给其中一个行业带来的影响。

手机地图：GIS、航空摄影和谷歌地图

21 世纪初，地理定位集成到了另外一种应用广泛、供数百万人每天使用的技术之中：智能手机地图应用。地图应用的历史始于第一款数字化计算机地图。ESRI（环境系统研究所）是在这个领域取得显着进展的先锋企业。

该公司由 Jack Dangermond 创办于 1969 年，其创新成果为地理信息系统 (GIS) 技术奠定了基础。这项技术整合了卫星图、用户和内容提供商提供的数据以及航空摄影。

2004 年，丹麦兄弟 Lars Eilstrup Rasmussen 和 Jens Eilstrup Rasmussen 利用 GIS 技术开发出了 Google 地图。这项服务最初并不是为智能手机打造的，但在后续三年间，Eilstrup Rasmussen 兄弟逐渐形成了将其用于智能手机的想法。

航空摄影起源于 19 世纪的热气球摄影和风筝摄影，对于地球测绘有着至关重要的意义，GIS 技术只是其中的一个应用领域。2005 年，Google 收购了提供地球航空照片的公司 Keyhole。这次收购是 Google Earth 问世的关键环节。

在随后的两年中，工程师们全力以赴，推出了 Google 地图。最后，在 2007 年底，Apple 发布了首款配备辅助 GPS 定位技术的移动设备，其背后的技术就是 Google 地图。这是地理定位走向普罗大众的重要节点；自那之后，人人都能通过手机轻松确定自己的当前位置，而且只需要在手机上轻点几下就能实现。

向这些杰出的工程师致敬！

在超过半个世纪的全球地理定位技术发展历程中，全球各地都闪耀着极具变革意义的关键时刻、极具创新想法的业界伟人以及值得行业永远传唱的历史性事件，这些时刻、人物和事件，宛如夜空群星一般，对全球地理定位技术发展起到至关重要的推动作用，这其中也不乏来自中国的闪光时刻，北斗系统已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，服务国家重要基础设施，产生了显著的经济效益和社会效益。基于北斗系统的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域。透过这些历史长河中的闪光时刻，我们可以看到一些人乃至一些国家在某时某刻如何迸发出富有远见卓识的创意，这些创意又是如何像拼图一般巧妙地拼合在一起，形成了卫星地理定位技术，让卫星地理定位技术变得更精准、更可靠，更让导航系统成为今天我们的日常生活中必不可少的一部分。

开发基于卫星的地理定位的工程师的贡献、第一款车载导航系统、GPS 接收机、地图应用和配备 GPS 定位的移动设备共同发挥作用，推动地理定位技术发展到今天的模样。或许这些工程师曾经畅想过自己的开发成果带来的影响，但他们不可能预见到自己的工作产生的全部贡献。

/关于u-blox公司/

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