DavidBartlett, u-blox定位產品中心技術主管

ArmandoCaracheo, u-blox高級內容主管

根據 Google 提供的數據，目前有 5,465 顆衛星在環繞地球軌道運行，其中有 154 顆衛星主要用于導航。后面這個數字看似微不足道，但這些創新的環地球軌道衛星卻是大眾賴以訪問地理定位信息的有力支持。正是因為有了全球導航衛星系統 (GNSS) 接收機，導航系統才能提供行駛中車輛的實時定位信息以及預計行程時間。除此之外，我們的手機中也嵌入了這些模塊，只要簡單操作一下就能隨時精準確定自己的位置。

實體地圖的創新依賴于勘測、三角測量、制圖學和多種定位方法，所以今天這份便利來之不易，是數千年人類智慧的結晶。幾個世紀以來，實體地圖的一直以精準的數據為人們指明方向，幫助他們在不同的國家、城市和街區之間自由穿梭。時至今日，衛星地理定位帶來了更便利的體驗，讓用戶能精準、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點，以及工程師們如何利用創新靈感成就當今的地理定位技術格局。

源于多普勒效應帶來的靈感

與其他許多技術進步一樣，地理定位技術也是源于一次意外，是在設計另一項技術時的副產品。第一顆衛星由 1957 年由當時的蘇維埃政府發射，其設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，也帶來了基于衛星的位置追蹤技術。雖然最先將衛星發射到地球軌道的是俄羅斯的工程師，但他們當時并未預計到這些設備在位置追蹤方面的潛力。美國工程師在研究發射電波的物體的運動時，發現了這種應用的前景。

多普勒效應這種科學原理解釋了物體在發射射頻信號的過程中移動時會發生怎樣的情況，例如一輛行進中的救護車或警車在開啟警笛時發出的聲音。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離您，您可能會產生一種定向障礙的感覺。這種定向障礙源自于您的耳朵（相當于接收機）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為靈感的服裝參加萬圣節化妝派對，這段經典情節讓多普勒效應在流行文化中留下了濃墨重彩的一筆。

最初將這種科學原理付諸應用的是美國工程師，他們監控射頻信號隨著時間推移發生的頻率變化，并據此計算一顆衛星的位置。這些信號從地球表面的某個地面站發射到衛星。Frank T. McClure 注意到了逆轉電波的行進方向時會發生的情況，由此取得了關鍵突破。這個突破瞬間掀起了衛星定位技術的革命，促使衛星轉變為射頻電波發射機，開啟了在地面判斷接收者位置的新篇章。

McClure 的創意很快就在霍普金斯大學應用物理實驗室得到了實際檢驗，隨即催生了第一款衛星導航系統子午儀 (Transit)。第一個衛星星座的魔力數字是 5。也就是說，使用至少 5 顆衛星的數據即可實現合理的定位精度。

先于GPS出現的子午儀衛星導航系統

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

在多年發展歷程中，子午儀衛星導航系統經過多次升級改進，提升了覆蓋范圍和導航精度，為衛星地理定位技術奠定了基礎，但仍然存在自身的局限性。

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

啟程，第一款車輛導航系統

為了繼續講述這個故事，有必要先稍微偏離一下主題，將衛星地理定位技術的發展史與車輛導航系統串聯起來。汽車里的導航系統能精準指引您從一個地點前往另一個地點，這聽起來似乎非常簡單，但這種技術的構思、實際實施和精準工程設計用了幾十年時間才完成。

20 世紀 70 年代末，發動機性能大幅度提升，日本汽車業開始將注意力轉向電子技術。工程師 Tagami Katsutoshi 設計出了第一款可集成在汽車中的導航系統。經過多次修改，Tagami 的團隊于 1981 年推出了本田電動陀螺儀，其中使用了陀螺儀、地圖膠片和氦推進器。其背后的原理是慣性導航，是汽車運動所固有的一種原理。通過了解出發點、車輛速度和行進方向，即可了解汽車在一定時間后的位置。

車載地圖：數字地圖與GPS接收機結合

模擬地圖到數字地圖的進化帶來了以下重大貢獻。最初的應用場景需要用到包含數字地圖的磁帶，只要從城市中的一個區域換到另一個區域，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，數字地圖在電子世界與衛星地理定位之間架起了一座橋梁，也讓慣性導航原理得以付諸應用。無論如何，過渡到數字化為電子地圖測繪與衛星地理定位的整合創造了條件。

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

衛星地理定位問世以來，汽車業借此取得了顯著進展，但這項技術也給其他行業部門帶來了極大的好處。下面我們來看衛星定位技術給其中一個行業帶來的影響。

手機地圖：GIS、航空攝影和谷歌地圖

21 世紀初，地理定位集成到了另外一種應用廣泛、供數百萬人每天使用的技術之中：智能手機地圖應用。地圖應用的歷史始于第一款數字化計算機地圖。ESRI（環境系統研究所）是在這個領域取得顯著進展的先鋒企業。

該公司由 Jack Dangermond 創辦于 1969 年，其創新成果為地理信息系統 (GIS) 技術奠定了基礎。這項技術整合了衛星圖、用戶和內容提供商提供的數據以及航空攝影。

2004 年，丹麥兄弟 Lars Eilstrup Rasmussen 和 Jens Eilstrup Rasmussen 利用 GIS 技術開發出了 Google 地圖。這項服務最初并不是為智能手機打造的，但在后續三年間，Eilstrup Rasmussen 兄弟逐漸形成了將其用于智能手機的想法。

航空攝影起源于 19 世紀的熱氣球攝影和風箏攝影，對于地球測繪有著至關重要的意義，GIS 技術只是其中的一個應用領域。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 問世的關鍵環節。

在隨后的兩年中，工程師們全力以赴，推出了 Google 地圖。最后，在 2007 年底，Apple 發布了首款配備輔助 GPS 定位技術的移動設備，其背后的技術就是 Google 地圖。這是地理定位走向普羅大眾的重要節點；自那之后，人人都能通過手機輕松確定自己的當前位置，而且只需要在手機上輕點幾下就能實現。

向這些杰出的工程師致敬！

在超過半個世紀的全球地理定位技術發展歷程中，全球各地都閃耀著極具變革意義的關鍵時刻、極具創新想法的業界偉人以及值得行業永遠傳唱的歷史性事件，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發展起到至關重要的推動作用，這其中也不乏來自中國的閃光時刻，北斗系統已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用，服務國家重要基礎設施，產生了顯著的經濟效益和社會效益。基于北斗系統的導航服務已被電子商務、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域。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出富有遠見卓識的創意，這些創意又是如何像拼圖一般巧妙地拼合在一起，形成了衛星地理定位技術，讓衛星地理定位技術變得更精準、更可靠，更讓導航系統成為今天我們的日常生活中必不可少的一部分。

開發基于衛星的地理定位的工程師的貢獻、第一款車載導航系統、GPS 接收機、地圖應用和配備 GPS 定位的移動設備共同發揮作用，推動地理定位技術發展到今天的模樣。或許這些工程師曾經暢想過自己的開發成果帶來的影響，但他們不可能預見到自己的工作產生的全部貢獻。

/關于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品以及全面的物聯網服務，賦能客戶以實現精準定位與萬物互聯。我們憑借業界領先的解決方案持續推動未來汽車與物聯網行業的創新升級。u-blox公司總部設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、智能和可持續性的解決方案。