认识各种各样的导航及其原理

我们生活在一个三维空间中，任何一个物体都处在一个特定的位置，任何移动都从一个位置到另一个位置的过程，而这其中都离不开导航定向。定向就是确定方向，例如你走在街上，你需要确定向东还是向北。导航就是在行进中引导从一个位置到另一个位置的方法。

生命自诞生以来，就具备一定的导航能力，我们统称为本能导航。具体可以包括：视觉导航、嗅觉导航（小狗）、触角导航（蚂蚁）、超声波导航（蝙蝠）、磁力导航（鸽子）等等。

视 觉导航就是通过眼睛捕捉视觉图像来获取目标在空间中的位置、方向以及所处的环境的信息，我们人类最主要的本能导航就是利用我们的双眼进行的视觉导航。而动 物则会利用自身最具优势的感知能力进行导航，例如小狗会利用敏锐的嗅觉找寻领地与食物，蚂蚁会利用触角进行找到回穴的路，蝙蝠会利用超声波在黑暗中躲避障 碍物，鸽子会利用磁力导航长途飞行。

这些导航能力更多是我们与生俱来，而在后天学习过程中，我们也在不断学习新的导航方式。

61万年前，北京猿人在打猎过程中，一边走一边用用石斧对沿途的树木进行标记，以找到回巢的路，这就是典型的标志导航。事实上，沿途的任何东西，只要能够帮助你判断方向的，都可以作为标志物。希腊人在公元前5 世纪就已知道在夜里用灯塔来指示港口[1]。时至今日，马路街头形形色色各种的路标指示牌，也是标志导航。

广阔的星空，白天有太阳，晚上有星星，这也成为了天然的导航标志，天文导航就是利用这些自然天体来确定自身位置和航向的导航技术[2]。

由于北极星最靠近正北的方位，源于古代汉族人民对远古星辰的自然崇拜，千百年来地球上的人们也靠它的星光来导航。西汉早期（公元前179--前122）的《淮南子·齐俗训》就写到，“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣。”。这就是说船行驶在大海之中，四面都是水，不能分辨出东西方向而迷惑了，这时可以借助于北斗星或北极星来分辨方向[3]。

东晋高僧法显（334年—422年）曾远行到天竺（今印度）取经，回国后撰《佛国记》，书中记载其浮海东归的经历时说：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日月星宿以进。若阴雨时，为风逐去，亦无准，……至天晴已，乃知东西，还复望正而进。”这就是说，除掉夜观辰极以定向以外，白天还可以用太阳来确定方向。但如果遇到阴雨天看不到太阳、星星和月亮时，只有等到天晴日出有星之时，才能分辨出方向，纠正船的正确方向继续航行[4]。

日晷，利用太阳的投影方向来测定并划分时刻。人类使用日晷的历史非常遥远，古巴比伦在远古时期的6000年前就开始使用了，中国是在3000多年前的周朝。中国最早的可靠记载是《隋书·天文志》中提到的袁充于594年(隋开皇十四年)发明的短影平仪(即地平式日晷)。赤道日晷的明确记载初见于南宋曾敏行的《独醒杂志》卷二中提到的晷影图。

如果在海中航行只知道南、北方向，而不知道具体位置，仍会迷失航向，不能顺利到达目的地。随着航海事业的发展，就逐渐形成了一种叫做“牵星术”的天文航海导航技术，主要是利用牵星板来测定船舶在海中的方位[5]。

利用牵星板来测定船体所在的纬度，这是一项重大的发明。对于远洋航海来说，有着重要的现实意义和应用价值，具有划时代的意义。

郑和船队在航海中，以航海图中对沿岸和岛屿的牵星记载和“过洋牵星图”为依据，不但到过印度、伊朗，其第五、第六次出海还到过东非的索马里，其间的各条航线相复杂。牵星术的使用，使郑和团队在几次航海中，能够解决判断船舶的地理位置与航行方向，确定船队的航向等一系列问题，它代表了15世纪利用天文导航的世界先进水平[6]。

17世纪世界航海事业兴起，1731年约翰·哈德瑞在研究胡克和牛顿早期实验的基础上，在伦敦发明和研制了“六分仪”。该仪器能在不稳定的船甲板上精确地测量角度，使领航员可以观测天体高度，为以后天文航海中求“天文船位”提供了技术手段[7]。

但天文导航很大程度上受限于天气，指南针的发明与应用，开创了航海史的新纪元。指南针是古代汉族劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果，是一种地磁导航。作为中国古代四大发明之一。主要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上，磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。11世纪末或12世纪初，中国船舶就开始使用指南针导航。北宋《萍州可谈》：“舟师（掌舵者）识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。” 写的就是航海中的导航需要“夜间看星星，白天看太阳，在阴天看指南针”[8]。

20世纪随着电子信息技术的法速发展，其中重要发明之一就是无线电导航。由于电磁波的传播基本上不受白天黑夜与晴雨风霜雪的限制，即使在恶劣气候与能见度不良的条件下，时时刻刻都可借助无线电信号有效地进行导航，而且测量迅速、精度与可靠性比较高。自20世纪20年代世界上第一个无线电导航系统，即无线电信标问世以来，在后续的短短70年里就发展了近百个系统。而且业务也由陆基发展到了空基；由单一功能发展到多功能，作用距离也由近及远乃至全球；定位精度由粗到精，甚至高达厘米量级；其应用亦由军事领域扩展到国民经济以及国计民生和科学研究诸领域[9]。典型的无线电导航系统包括：无线电信标（Radio Beacon）、台卡（Decca）、伏尔/测距器（VOR/DME）、塔康（Tacan）、罗兰C（Loran C）等等。雷达就是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置[10]。

当然，应用最广泛的无线电导航就是卫星导航了，第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System —— NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称"子午仪（Transit）卫星系统"。1964年该系统建成后即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务[11]。但子午仪系统存在着无法连续使用和不能作高动态导航定位，从而推动了第二代卫星导航定位系统——GPS的产生和发展[12]。

GPS是美国国防部建立的一个全天候、空基导航系统。从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资300亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划 。

牛顿力学标志着现代科技时代的来临，其标志性产物除了卫星导航，另一个就是惯性导航[13]。惯性导航是利用惯性元件来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。惯性导航系统1954年在飞机上就试飞成功。1958年，“舡鱼”号潜艇依靠惯性导航穿过北极在冰下航行21天。系统具有体积小、成本低、精度高、不依赖外界信息、不向外界辐射能量、抗干扰能力极强、隐蔽性好等特点，成为卫星导航技术的重要辅助技术手段。

 

随着科技的发展，导航的定向精度在进一步提高，也逐步出现了各类仿生学导航定向技术，例如计算机视觉导航，导航技术越来越自动化，智能化，与我们每个人的日常生活都分不开。

[1] http://tieba.baidu.com/p/3395693844

[2]陈义 & 程言, "天文导航的发展历史、现状及前景," 中国水运：理论版, vol. 4, pp. 27-28, 2006

[3] http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ffa0e0d01007vzv.html

[4] http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ffa0e0d01007vzv.html

[5] http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ffa0e0d01007vzv.html

[6] http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ffa0e0d01007vzv.html

[7]吴振林, "漫话导航技术," 石油知识, 1992.

[8]陈义 & 程言, "天文导航的发展历史、现状及前景," 中国水运：理论版, vol. 4, pp. 27-28, 2006.

[9]谢世富, "漫话导航(二)——神奇的无线电导航," 电子世界, vol. 1, pp. 61-63, 2001.

[10] http://baike.baidu.com/link?url=x8kgPJg-dzW5XbKGc5fp-nnYhnVnjbxQOshQITmHSw_L3vw6MjSUSDOusyfqgmRA-hS4iFb9DXWN8x5imFNtQBlzgo6AZjZlmlJH7SK69Pm

[11] http://blog.3snews.net/space.php?uid=64&do=blog&id=3678

[12]吴振林, "漫话导航技术," 石油知识, 1992.

[13]胡小平, 吴美平,& 武元新, "导航技术发展研究," in 2010-2011控制科学与工程学科发展报告, 2011.