北斗100问 | 关于导航的古今差异你知道多少？|北斗100|卫星导航系统|指南针|接收机|罗盘|解算

什么是定位？

BEIDOU

定位是通过观测确定目标点的坐标或位置。在现代，人们常利用智能手机定位软件共享地理位置。

测绘技术以经纬度表示地理位置，并通过制作地图展示地球点的空间位置和相互联系。地图让人们更容易找到位置和目的地。

但是，在古代要想精确制作地图不是那么容易的。

古代制作精确地图较困难，要依赖于测量技术和对地球形状的认知。

早在公元前3世纪，希腊科学家就用天文测量方法测量地球的形状和大小。唐代僧人一行(张遂),组织领导了我国古代第一次天文大地测量工作，这次测量北达现今蒙古的乌兰巴托，南至今湖南省的常德，他们在这些地方分别测量了冬至、夏至时期日影长及北极星高度，同时还把测量成果绘制成图，在世界上首次测得子午线的长度。

测量是一种手段，目的是利用数据绘制图，确定事物相对位置。如墓葬图、古城遗址图等。最早的图之一是《兆域图》，出土于河北平山县，是墓葬平面图。此外，甘肃天水秦墓中出土的地图包括政区图、地形图和经济图，显示了2000多年前我国在测绘和制图方面的先进水平

确定位置的技术称之为定位。定位，简单地说就是确定某一点的位置。定位与导航的区别在于导航针对运动物体，观测时间短，要求实时处理；而定位要求精度高，观测时间长，多为事后处理。

导航和定位都需要参考物来确定相对位置。经纬度表示地球上任意一点相对于地球坐标系的相对位置。历史上，人们将水平位置和高程分开测量，但卫星导航定位技术使得三维位置的获取更为深入和准确。

卫星导航由于具有全球覆盖、精度高、可靠性强的优点，解决了茫茫大海无法定位的问题。因此，这种技术被各个国家竞相发展和使用，从而产生出各种定位技术，解决了各种用户不同用途的定位。

以卫星导航为例，导航定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：

按观测量分类：伪距定位和载波相位定位

伪距定位是在用全球定位系统进行导航定位时，用卫星发播的伪随机码与接收机复制码的相关技术，测定测站到卫星之间的含有时钟误差和大地折射延迟的距离称为伪距，当同时获得三颗卫星的伪距时，便可以得到测站的三维位置。

卫星导航系统提供两种测距码实现测距，即民用码和军用码。采用民用码伪距观测值定位精度在10米左右，采用军用码伪距观测值定位精度在3米左右，但是军用码定位需要授权使用军用接收机才可以定位。

伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度解算，可以非常容易地实现实时定位，其缺点是观测值精度低。

载波相位定位是指利用载波相位观测值或不同频率的载波相位观测值进行线性组合，进而解算位置。载波相位定位的优点是观测值的精度高，可以实现厘米级甚至事后毫米级定位；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度解算的问题，实时定位较为困难。

按定位模式分类：绝对定位、相对定位和差分定位

绝对定位又称为单点定位，是一种采用单台接收机定位的方式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航或者精度要求不高的定位任务中。

相对定位是采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星观测，以确定接收机天线间的相互位置关系(坐标差),当已知一个接收机坐标时，其他接收机的坐标也就确定。这种定位模式相对定位精度很高，通常使用载波相位观测值。

差分定位也是相对定位的一种方式，但确定的不是两站之间坐标差，确定的是基准站(已知)的误差，通过通讯链传递给流动站(未知)后修正，从而提高用户定位的精度。

根据误差作用距离而言，使用测距码伪距观测量的差分定位可分为局域差分和广域差分，使用载波相位观测量的差分定位可分为RTK和网络RTK。

按时间特性分类：实时定位和非实时定位

实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。

非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据处理以后进行定位的方法。

按运动状态分类：动态定位和静态定位

所谓动态定位就是整个观测过程中，接收机的位置或者天线是处于运动中。在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间改变而变化的量。

所谓静态定位就是观测时，接收机天线在整个观测过程中的位置保持不变。那么,在数据处理时，接收机天线的位置是作为一个不随时间的改变而变化的量。

在测量中，静态定位一般应用于高精度相对定位测量，多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，观测时间可达几十分钟甚至到数小时，数据处理采用事后处理方式解算出基线解，从而得到未知点的坐标。

古代人们是怎样导航的？

在古时候，人们利用太阳、北极星和指南针确定方向，或者利用特定的建筑物和地理特征(如已命名的山峰、河流、湖泊等)来确定位置。

指南针(司南)是中国的四大发明之一，是一种利用地磁效应判断方位的导航工具。

但是相传最早的导航是西晋崔豹所著《古今注》一书中记载黄帝所发明的指南车。指南车又称司南车，是利用差速齿轮传动原理指示方向的一种机械装置。

与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。

指南车

说起5000年前黄帝大战蚩尤。作战三年，交锋72次，都未能分出胜负。

在一次大战中，蚩尤在眼看就要失败的时候，请来风伯雨师，呼风唤雨，给黄帝军队的进攻造成困难。黄帝也急忙请来天上一位名叫旱戴的女神，施展法术，制止了风雨，才使得军队得以继续前进。

这时诡计多端的蚩尤又放出大雾，霎时四野弥漫，使黄帝的军队迷失前进的方向。黄帝十分着急，只好命令军队停止前进，原地不动。并马上召集大臣们商讨对策。

应龙、常先、大鸿、力牧等大臣都到齐了，唯独不见风后。有人怀疑风后是不是被蚩尤杀害了。黄帝立即派人四下寻找，可是找了很长时间，仍不见风后的踪影，黄帝只好亲自去找。当黄帝来到战场上时，只见风后独自一人在战车上睡觉。

黄帝生气地说：“什么时候了，你怎么在这里睡觉?”风后慢腾腾地坐起来说：“我哪里是在睡觉，我是正在想办法。”

接着，他用手向天上一指，对黄帝说：“你看，为什么天上的北斗星，斗转而柄不转呢?臣听人说过，伯高在采石炼铜的过程中，发现过一种磁石，能将铁吸住。我们能不能根据北斗星的原理，制造一种会指方向的东西，有了这种东西就不怕迷失方向了。”黄帝把风后的这个想法告诉众臣，大家议论了一番，都认为这是个好办法。

然后，就由风后设计，大家动手制作。经过几天几夜奋战，终于造出了一个能指引方向的仪器。风后把它安装在一辆战车上，车上安装了一个假人，伸手指着南方。然后告诉所有的军队，打仗时一旦被大雾迷住，只要一看指南车上的假人指着什么方向，马上就可辨认出东南西北。

于是有了黄帝发明指南车的传说。司南是我国古代辨别方向用的一种仪器,据《古矿录》记载，最早出现于战国时期的磁山一带。用天然磁铁矿石琢成一个杓形的东西，放在一个光滑的盘上，盘上刻着方位，利用磁铁指南的作用，可以辨别方向，是指南针的始祖。

司南

司南模型，是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。

地盘是青铜做成的，内圆外方，中心圆面磨得非常光滑.以保证勺体指示方向的准确性。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿。共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的，磁铁的正极磨成司南的长柄。

勺头底部是半球面.非常光滑。使用时先把地盘放平，再把司南放在地盘中间。用手拨动勺柄。使它转动.等到司南停下来。

勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到八世纪时仍在应用。

到了宋代，劳动人民掌握了制造人工磁体的技术，又制造了指南鱼。指南鱼是把薄钢片剪成鱼形，长二寸，宽五分，鱼的肚皮部分凹下去，使鱼像船一样能浮在水面上。然后把鱼和天然磁铁放在一起，由于磁体的吸力，钢片受磁感应也具有磁性。

这种人工传磁方法制成的指南鱼比使用司南方便多了，只要有一碗水，把指南鱼放在水面上就能辨别方向了。经过长期的改进，人们又把钢针在天然磁体上磨擦，钢针也有了磁性。这种经过人工传磁的钢针可以说是正式的指南针了。

沈括在他的《梦溪笔谈》中提到他对指南针的用法做过四种试验，即水浮法、缕悬法、指甲法和碗唇法。“水浮法”是把指南针放在有水的碗里，使它浮在水面上，指示方向。

“缕悬法”就是在磁针中部涂上一些蜡，上面粘一根丝线，把丝线悬在木架上，针下安放一个标有方位的圆盘，静止时钢针就指示南北。

“指甲法”就是把钢针放在手指甲面上，轻轻转动，由于手指甲的光滑，磁针就和司南一样也能发生指南作用。

“碗唇法”是把磁针放在光滑的碗边上，转动磁针，便和指甲法一样发生指南作用。

沈括经过精密的观察实验，还发现磁针指示的方向并不是正南正北，而是微偏西北和东南，这种发现在科学上叫磁偏角。

我国不但是世界上最早发明指南针的国家，而且也是最早把指南针用于航海的国家。

11世纪末，指南针开始用于航海，北宋时候的朱或在《萍洲可谈》里讲到当时海船上的人辨认地理方向，晚上看星辰，白天看太阳，阴天落雨就看指南针。

北宋时期出使朝鲜的徐竞在《宣和奉使高丽图经》中也说：船队航海，夜晚“视星斗前迈，若晦冥，则用指南浮针”。可见那时从事航海的人们已经普遍地掌握了指南科学知识。随着指南针在航海上的广泛应用，指南针本身装置也得到了改进。

南宋时开始把磁针与分方位的装置组装成一个整体，这就是罗盘。到了元朝，又有人造出立针式的指南龟和指南鱼。指南针的发明和应用，不仅使人们克服了远航时不易辨别方向的困难，而且也推动了世界航海事业的发展和文化交流。

南宋时一些阿拉伯商人和波斯商人经常搭乘我国的渔船往来贸易，他们学会了指南针的制造方法，同时又把这个方法传到了欧洲。

到了12世纪末、13世纪初，阿拉伯和欧洲一些国家才开始将指南针用于航海。比起我国已经迟了一百多年。1405年，航海家郑和奉明成祖朱棣之命，率领庞大船队起锚远航，出使中国南海以西的国家和地区，称之为“下西洋”。

郑和船队在航行中通过观测天文气候来辨别方位和确定航线。根据《郑和航海图》记载，航行中使用了“过洋牵星术”和“海道针经”，记录大量海流、水深、礁石以及停泊地点资料，发展了宋元以来的航海技术。

过洋牵星术是中国古代航海所用的天文观察导航技术，是指用牵星板测量所在地的星辰高度，然后计算出该处的地理纬度，以此测定船只的具体航向。在描述古代航海的影片中我们其实经常看到的两样东西，一个是前面提到过的罗盘，另一个就是牵星板了。

牵星板是一种很简单的天文导航工具，它用在古代航海导航中。牵星板正如我们时常在电视中看到用叼在嘴上的线穿几个木板一样，通过牵星板测量星体高度，就可以找到船舶在海上的位置。

牵星板共有大小十二块正方形木板，以一条绳贯穿在木板的中心，观察者一手持板，手臂向前伸直，另一手持住绳端置于眼前。此时，眼看方板上下边缘，将下边缘与水平线取平，上边缘与被测的星体重合，然后根据所用之板属于几指，便得出星辰高度的指数。

牵星木板

现在的航海技术已经有了很大的变化，但是一些渔民依旧会利用这一种方法，根据自己的经验马上判断出自己的方位。虽然比不上现在的雷达、卫星导航等高科技设备那么先进，但是依旧是很实用的导航定向手段。

现代人是怎样导航的？

现代导航方法可以划分为两大类，一类是不依靠电子技术的手工方式，包括航位推算法、地标领航法和天体导航法。虽然这些方法很古老，但是在很多航天、航海领域中都还在使用，而且一些现代导航技术的基础也是这些方法。而另一类就是电子导航方法，包括无线电导航、雷达导航和卫星导航等。

20世纪初，当飞机出现后，飞行员就通过目视地形、地物进行导航。随着现代微电子技术的迅速发展，给古老的地形导航技术带来了革命性的变革，使得导航技术可以把地形数据库和地形匹配的概念结合起来，从而使导航定位达到前所未有的精度。地形导航匹配技术已经和卫星导航、惯性导航一样，成为当今军事和民用导航领域的重要技术。

现在市场上应用最多的就是卫星导航，应用在生活的各个方面。

在卫星导航产业链中，地面设备与运营增值服务占90%的份额，车载导航、车辆监控、信息服务是主要领域。目前，GNSS手机和车载GNSS的市场前景广阔，对大众提供实时位置服务，利润丰厚。

车载卫星导航仪。随着汽车的普及和道路的建设，城际间的经济往来更加频繁，活动的区域也越来越大；为了提高生活质量，大量的休闲活动、探险活动的举行使我们并不局限在自己认识的一小块区域中，不认识道路，找不到目的地的情况也屡有发生。

因此，车载卫星导航仪将会以合适的价位走入车主的世界，成为车上的基本装备。