科普 |《人类找北史》

从罗盘到GPS，解析导航技术进化全过程。

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听书笔记 

《人类找北史：从罗盘到GPS，导航定位的过去与未来》

（You Are Here: From the Compass to GPS, the History and Future of How We Find Ourselves）的作者是美国人海华沙·布雷。

第一部分：在二十世纪之前，人类的“找北”方法。

日月星辰是古人们寻找方向的重要依据。早在公元前3000年，古埃及学者就开始利用星体进行精确导航了。随后，天文学家又发现了小熊星座中的“帝星”，也就是北极星，为古人指出了正北方向。

水手们利用北极星和基础的三角函数原理，找到了测量自己与赤道之间大致距离的方法，这个距离就是纬度。

公元一世纪，古罗马天文学家托勒密完成了巨著《地理学指南》，其中就包括了对后世影响深远的 “托勒密地图”，开启了科学绘制地图的先河。

罗盘则是古代非常重要的导航工具。公元1044年，“水浮指南鱼”就被记载于北宋文献《武经总要》中。到了12世纪，罗盘已经被运用到当时的航海导航之中，极大地降低了远航的风险。

当地理理论与导航技术逐渐成熟时，制图师们就开始大显身手。17世纪末，意大利地理学家卡西尼等完成了对整个国家的测绘，18世纪开始，人们开始科学地推进全球地图的绘制。

第二部分：二十世纪初的无线电与惯性导航技术

十九世纪末，意大利发明家马可尼发明了“无线电”，并成功发送“电报”。科学家由此也意识到“无线电”应用于导航的可能性。1902年，美国工程师与发明家约翰斯获得了无线电定向装置的专利。

二十世纪初，为了使飞机在夜晚或能见度不佳时仍能完成作战、运输等各类任务，各国竞相投入无线电导航研究。德国人在第一次世界大战期间发明了陆基无线电定位方式，帮助飞机能够判断自身位置且不易暴露。美国商务部则在1920年开发了“四航路无线电导航台”，使飞机可以准确按航路飞行。

1958年8月3日，美国海军鹦鹉螺号核潜艇成功抵达北极。在海平面之下，没有日月星辰指引方向，也收不到无线电信号，他们依靠的是一种叫做“陀螺仪”的装置。

根据牛顿惯性定律，在没有外力的作用下，物体的运动状态会保持不变。因此，无论在何处，陀螺仪中的旋转轴都会指向同一个方向。

后来加速计也加入到辅助导航的队伍中来。加速计检测到加速度或减速度，再根据相应的时间进行计算，配合陀螺仪的指向，就可以知道自身相对于出发点的位置。这一系统被称为“惯性导航”。

第三部分：卫星定位技术

卫星定位技术是二十世纪中后期人类在定位导航技术上的重大成就。

它的原理是利用在太空中的卫星，在某个时间点，将自身的位置和准确的时间信息通过无线电信号发射出去，地面上的接收装置，在收到信号时，就能够根据发送和接收的时间差，计算出自身与这颗卫星之间的距离。而如果能连上三颗或三颗以上的卫星，就能准确知道自己的位置了。

最广为人知的卫星定位系统，GPS，是全球定位系统“Global Positioning System”的英语缩写。在美国国防部的支持下，1959年，GPS的前身，子午卫星计划开始实施。到了1968年，已经有4颗卫星在轨运行，并部分开放商用。然而卫星数量实在太少，使得定位等待时长过久，且精度也不佳，无法用于引导洲际弹道导弹等需要精确位置信息的武器。

为了弥补这一缺陷，除了提升卫星的数量之外，另一项关键的技术就是“原子钟”。原子钟能将一秒钟的时间精确到10亿个计时单位，极大提升定位的准确度。20世纪七八十年代，多颗安装了高精度原子钟的卫星被送入太空。至1989年，卫星定位的误差已经能被控制在20米之内了。

除了美国外，欧洲、俄罗斯、中国等都相继开发了属于自己的卫星定位系统。

第四部分：互联网时代的定位导航与隐私风险

2003年，谷歌公司为了与它的竞争对手“苹果”公司抗衡，投入了数百万美元完成全球测绘工作，并收购了一家卫星摄影公司，拍摄全球的细节照片，用来创建地图。随后，谷歌又投入了一大笔资金，组建一支装有GPS设备、相机以及激光测距仪的车队，走遍世界不少国家的大街小巷，生成丰富的3D图像，“街景地图”由此诞生。

然而，谷歌街景车队在所到之处，还搜集了Wi-Fi信息，甚至储存了通过这些Wi-Fi所传送的私人数据。此事曝光后，十余个国家对谷歌进行了调查，认定其侵犯了个人隐私，并处以相应的惩罚。

事实上，在用户使用电子地图的时候，也可能在无形中泄露自己的隐私信息。例如，大家经常会做的“定位签到”，就能帮助互联网公司了解用户在真实世界中的动向，追踪他们的经济活动，判定他们的消费能力，进而更有针对性地投放广告等。

而在互联网时代，每一个普通人也都可以成为一名“测绘师”。例如，手机导航软件里的实时路况信息，就是根据导航软件使用者的不断发送出去的位置和速度信息，统合计算出来，再反馈给所有用户的。

解读 | 钱铁铮

航空旅行与科普博主，曾就读于复旦大学力学与工程科学系，现为台湾政治大学博士生。

播音 | 张煜

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 陈子夫