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一个东北小伙不幸在南方的城市迷路，他不得不向人打听回住所的方向，盘旋在耳边的都是前前后后、左左右右的声音，即使有人向他指点了东、南、西、北，小伙也是一脸的茫然，在这个陌生的城市，他怎么能够知道东南西北啊。方向这个东西似乎一下子就把小伙轰杀至渣了。其实，在人类的漫漫生存史上，辨别方向早就成了一项基础工作，而全方位的导航，更已经成为了一种时尚的科技。你若不信，不妨听《Geek》慢慢道来。
天地万物前来指导
嘉佑元年，欧阳修同志与他的好朋友刘敞作别，醉翁可能是怕这位小弟出门在外找不着北，写的赠诗中就有了这么一句“行迷方向但看日，度尽山险方逾沙”。你看看这哥们多够意思，兄弟出门都叮嘱到这份上了：你要是迷失了方向啊，那你就看看太阳，这东西朝由东升，晚从西落，只要你能大致把握好时间，你就能知道方向了。抬杠党马上就得说了，那晚上呢?晚上太阳没了看啥啊?能问这问题的兄弟肯定脑子里有点贵恙，晚上没太阳了不是还有星星吗?在北宋王朝的很久很久以前，前到公元前，古人们就掌握了这些常识啦，看，在那浩瀚的星空上，不是有北极星嘛!还有那北斗星，不是也在它周围吗?当你面对着北极星，你的右边就是东，左面就是西，背后就是南，如果你连这些都不知道，健次郎是不会原谅你的!
地磁导航这个靠谱
欧阳修这个人吧，诗词写得不错，理工科好像一般，毕竟那时候数理化神马的都是杂学。他告诉刘原父找不到方向了就看太阳，这手段也太落后了，如果送行的人是沈括，肯定得和刘敞这么说：“刘大人啊，你这旅途上可别找不着北，在下就送你个指南针来辨别方向吧。”指南针是咱们中国的四大发明之一，早在战国时期，中国人就发现了天然磁石。但指南针的发明，学术界上一般都认为是在公元十一世纪，也就是北宋时期。这个时候中国的自然科学也不受重视，但好在社会风气自由，曾公亮、沈括这些当官的除了上班看报纸、喝茶水之外，也爱研究这些副业。曾公亮所著《武经总要》中曾提到“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也”。这就是传说中的指南鱼的做法，采用的是热残磁的人工方法来制作指南设备，
沈括在《梦溪笔谈》中还记载了另外一种使用摩擦生磁的办法。总之，宋人已经熟练掌握了人工磁石的制作方法，并且将其粗加可观天这种大事，就怕阴天下雨，太阳公公不出面。星星姐姐也都藏起来了，剩下我们孤独的人类，又该如何通过大自然的指引来寻找方向呢?古人们可真有智慧，虽然当时没有什么先进的仪器，但是他们的总结观察能力，那可是超一流的。就拿咱们北半球来说吧，古人发现这个大树的年轮吧，总是北面密集，南面稀疏，找个斧子，砍上一工后制作成了指南设备。沈括总结了水浮、缕悬等几种磁针放置的方法，将这个发现应用到实际生活中来辨别方向，更加难得的是，这老哥还发现了磁偏角的存在，他说“以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”，也就是发现了指南针所指南北并非地理南北。三百多年后，哥伦布用中国人发明的指南针的加强版航海罗盘向新大陆航行时，欧洲人才发现了磁偏角的存在，后来哈特曼先生又发现了磁倾角。(磁偏角为地磁水平分量和地球正北方的夹角，磁倾角为地磁与该地水平面的夹角。)最终，英国人吉尔伯特根据这些发现指出了指南针能够辨别方向的缘由——地球本身就是一个大磁体。
棵树，南北就找到了：再比如吧，如果是秋天，这大雁总是要向南飞：还比如吧，这个蚂蚁的洞口，一般都是朝南的。这些也都可以用来辨别方向，可这天地万物指引方向，总有点不靠谱，日月星辰时常休假，自然景观偶有偏差，所以要不在这个世界上迷失，光靠这些指导是不行的，还得找点靠谱的东东才成。
人类在很长一段时间内都是利用这种初级的地磁导航设备来辨别南北。当然同时代还有其他导航方式，咱们后边还会说。这里要说的地磁导航在20世纪中叶又重新得到了重视，地磁场这资源多好啊，绿色无污染，还是固有公共资源，不用白不用，所以国外很多公司和科研机构都开始通过地磁感应器测得的实际地磁数据来和计算机中所保存的地磁基准图来进行匹配对位。因为地球上任意一点的地磁矢量都具有唯一性，并且能够和地理上的经纬度存在一一对应的关系。所以只要确定了这一点的地磁数据都能够实现全球对位。这可就不单单是确定一个方向那么简单了，而是真正意义上实现全面导航。现代地磁导航技术正在高速发展当中，算是在焕发第二春，但在地球磁场模型建立、磁强计测量精度、地磁导航滤波算法上还都存在着很多问题。
P.S.关于指南车和司南
据中国传说，早在三千多年前，传说中黄帝蚩尤两个部落大战，黄帝凭借着指南车在狂沙中找到了方向，一举奠定胜局。一说指南车，大家可能就想到了，这东西是不是就是中国人利用地磁发明的导航器啊?其实不然，指南车应该是一套机械指南设备，假人先定位指向南，再依靠齿轮运行来维持这种恒定性。黄帝那时候还拿着木头棒子打仗呢，齿轮应该没啥戏。所以指南车这个东西在那么久远之前就被发明，这还真的值得怀疑。真正记载指南车的结构和技术规范的文献见于《宋史·舆服志》之中，有兴趣的朋友可以去查询，《Geek》在此只是说明指南车并非是地磁导航装备。
天文导航给你力量
虽然咱们在文章开头把天地万物的导航说得挺不堪的，其实凡事只要能够做彻底、深入的研究，未必不能总结出准确可靠的规律和方法来。《Geek》前两期曾花了很大的篇幅来介绍天文学的发展，其实人们在研究天文的时候，也同时在应用天文，这其中有一项很重要的成果就是天文导航。在大航海时代，航海家们不仅仅需要知道自己前进的方向，更迫切地需要知道自己所处的位置，而人们通过长期的天文观测，已经整理出了不少星历资料，将他们总结成星表。这东西能够描述在某一时刻内某一颗恒星相对于地球的位置。现在如果我们拥有一个仪器可以测量出天体相对于参考基准面的高度角和方位角，那么自然就可以通过已知规律来推算出自己的所在位置。航海家们先是用由一个刻有度数的圆盘及一根瞄准管构成的星盘来测量天体的高度，但这东西精度不高，现在说起星盘来，一般人都以为是算命的。后来在16世纪的时候，英国有个叫做约翰·戴维斯的航海家自己设计了一个象限仪，通过对太阳的定位来确定自己的纬度。注意这里我们始终没有提经度的概念，因为经度的确立是又两百年之后的事情了，等到本初子午线也确定下来的时候，航海家们才能用经纬度来准确描述自己的位置了(测定经纬度的历史请见2010年4期《Geek》)。
18世纪，两大神器天文钟和六分仪的出现，正式标志着天文导航进入了一个成熟阶段。经度测量的基本原理就是通过比较太阳上中天时地方时间与出发地的时间出现在历史教科书上的司南往往被认为是中国人所发明的较早的利用地磁特性导航的装备，司南形体很似汤勺，据说是用天然磁石做成，将其放置在光滑表面上可指南北。人言亦言，大家也都信了。可这东西似乎有点不合理，司南磁矩过小，加上底部摩擦，指南难度相当之大。建国之初郭沫若委托钱临照先生以天然磁石复原司南，结果以失败告终，后来王振铎先生倒是复制了一1、现在国家博物馆都不展出了，原因不明，就此打住。
差，而有了计时器的准确测量，很容易就做出这种比较。举个例子来说，如果当地太阳上中天的时间比格林威治时间早了一个小时，那么这个地方自然是东经15度了：六分仪是一个扇形装置，其组成部分包括一架小望远镜，一个半透明半反射的地平镜，一个与指标相联的指标镜。六分仪的刻度弧为圆周的1／6。使用的时候，观测者手持六分仪，转动指标镜，使在视场里同时出
现的天体与海平线重合。根据指标镜的转角可以读出天体的高度角，从而确定出自己所在的纬度。后来美国船长T.H.萨姆纳发现天文船位线，法国海军军官圣伊莱尔发明截距法，使得航海中的天文导航变得更加准确易行了。
六分仪
天文导航不仅应用在航海上，到了近代，空战和航空之中也大量应用了天文导航系统，其核心仪器是自动天文跟踪器、天文罗盘和六分仪。自动天文跟踪器能从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度；天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示飞行器的航向：六分仪通过对恒星或行星的测量而指示出飞行器的位置和距离，其原理与航海所用的系统基本上是一致的。不过天文导航最大的缺点就是你得能见天，这要是阴天下雨航海或是进行超低空飞行，就有点不好用了。但相比咱们还要提到的几种导航技术，天文导航不需要其他地面设备的支持，所以即使到了导航技术非常发达的现在，船长和飞行员们一般都还带着这么一套自主式导航系统，万别人不能给予自己导航支持了，手中还有这一利器保证自己不会迷失。
无线电导航 辉煌一时
前面貌似咱们提到了空战，那就说说空战吧。话说那是1940年冬，英国军事工业重镇考文垂市上空突然响起了刺耳的空袭警报，随后便是长达1_个小时的爆炸声，当人们走出防空洞的时候，他们那熟悉的城市已经近乎消失了。当然英国人也没有光挨炸，1942年初，英军出动千架飞机轰炸德国工业城市科隆，光炸弹就扔了1000多吨，给德军造成了重大的损失。从表面上看，英德空战较量的似乎是军事实力，其实主角除了那些翱翔在天空上的飞机，还有人们看不见的无线电波。
地面无线电测向导航
说到无线电导航的发明，其实和天文导航不无关系，前面咱们也说了天文导航受天气影响很大，19世纪初的时候，美国飞行探险家查理·林森博格要完成跨越大西洋的壮举，他从美洲飞往欧洲的途中，遭遇了暴风雨，天文导航自然是不能用了，这厮稀里糊涂地飞了几十个小时，突然看见了一个渔船，他赶紧低飞过去，使劲喊了一嗓子：“爱尔兰在哪儿啊?”这个宛若笑话式的故事确实体现了天文导航的局限性，而无线电导航也恰恰是为了弥补这个缺点而被发明的。早在1911年的时候，就有人开始研究无线电波的定向性，一战中，德国齐柏林飞艇轰炸伦敦时就使用了原始的地面无线电测向导航。到了第二次世界大战的时候，无线电导航成为了飞机和舰艇必需的设备，雷达成为了决定一场战争成败的关键。而当时同盟国与协约国之间长期的空战、海战更是催使这项技术快速发展，德国的Knickebein系统、英国的Gee系统、美国Loran系统都曾名扬一声，这些系统都是利用电磁波的传播特性制定的。电磁波在均匀理想媒质中沿直线传播，在自由空间的传播速度是恒定的，在传播路线上遇到障碍物或在不连续媒质的界面上时会发生反射。由此原理，通过在地面导航站和飞机上安装发射器和接收器来完成测角、测距和测速工作。
虽然无线电导航相比天文导航具有不受天气影响的优越性，但其本身也存在着许多缺点，那就是无线电波非常容易受干扰，二战时期交战双方几乎每天都在想着破坏对方的无线电导航系统。而且无线电系统受地面导航站影响比较大，一旦没有地面支持，飞行员马上进入失明状态。在二战之后，无线电导航系统广泛应用在民用航空上，大家在乘坐飞机的时候都会被要求关闭手机等设备吧(虽然不关手机也未必出事故)，这就是无线电导航的缺点导致咱们不得不如此，这个曾经显赫一时的导航技术，已经真的成为了明日黄花。
惯性导航广泛应用
惯性导航技术的核心元件陀螺仪
就在英国皇家空军发动“千机大轰炸”的这一年，德国人在地面武器上开始采用了一种全新的导航技术：惯性导航。惯性导航最早被应用在V2火箭上面，系统采用了两台陀螺仪和一台横向加速度表，再加上一台模拟计算机来调整火箭飞行的方位。根据测量数据，模拟计算发出信号调整4个位于垂直尾翼上的外部方向舵来控制火箭的飞行，是一套封闭式的自主导航系统。德国战败，冯·布劳恩带着500多名火箭专家跑到美国继续做惯性导航研究。到了1952年夏天，美国的两位博士开始在IBM 650计算机上利用MAC语言进行导航计算，这一弄就是6年，第一个惯性导航计算模型总算在1958年诞生，而MAc语言作为第一种可以人工阅读的计算机语言也在航天方面得到广泛应用。同一年，舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天，证明了惯性导航可以在船舶、潜艇、车辆等多个领域广泛使用。1961年2月，美国国家航天航空局委托麻省理工学院为阿波罗登月计划设计导航系统，其核心系统还是惯性导航。
早期的惯性导航系统
讲完了发展也该说说惯性导航的原理了，想用几百字来概括绝对是自不量力，只能简单说说。惯性导航系统的基础是牛顿的力学定律，它通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等元件组成。测量装置包括加速度计和陀螺仪，3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动：3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度；计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据，控制显示器则是用来显示各种导航参数。按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，惯性导航分为平台式系统和捷联式系统，前者安装在机电平台上，后者直接安装在载体上。捷联式系统是目前惯性导航的主流系统，被广泛应用在航海、航天等领域。至于技术细节，请童鞋们参考国防工业出版社那本厚厚的《惯性导航原理》一书吧!240多页的内容包含从概念到模型到原理等等知 识，其中涉及大量的专业知识，就算你是理工科的学生读起来也要有很长的消化吸收时间。
卫星导航时代宠儿
GPS卫星的运行轨道
说到卫星导航，这恐怕是大家最为熟悉的一个名词了。看看自己的座驾，翻翻兜里的手机，卫星导航系统都有可能存在其中。这项技术的启蒙源于1957年苏联发射的第一颗人造卫星，当时美国霍普金斯大学的吉尔博士和魏分巴哈博士对卫星遥测信号的多普勒频移产生了浓厚的兴趣，他们认为利用卫星遥测信号的多普勒效应可对卫星精确定轨，而同所大学的克什纳博士和麦克卢尔博士则认为在已知卫星轨道的前提下，利用卫星信号的多普勒效应可确定观测点的位置。恰好当时美国海军正在寻求一种可以对北极星潜艇中的惯性导航系统进行间断精确修正方法，于是美国军方便积极资助霍普金斯大学应用物理实验室开展进一步的深入研究。在克什纳博士的领导下，子午卫星导航系统于1964年1月正式建成并投入军方使用，后来由军方解密供民间使用。但这套导航系统存在着许多不足，美国国防部在1973年12月正式批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统：全球定位系统(G JoboI PositioninSystem)，简称GPS。这个计划总投资300亿美元，经历了方案论证、系统论证、试验生产三个阶段，终于在20世纪90年代中期投入使用。GPS卫星系统共由24颗卫星组成，分布在6条交点互隔60度的轨道面上，军民两用，精度约为10米，在得到军方授权后，精度更高。
车载GPS导航系统
就在美国对GPS定位系统进行论证的时候，前苏联也开始了卫星导航系统的布建，该系统叫做全球导航定位系统(Globol Navigation Satelite Svstem)，简称GLONASS。这个计划于1982年开始实施，不巧赶上苏联解体，历经一番周折之后，最后由俄罗斯于1996年建成。该系统也是由24颗卫星组成，精度与GPS大致相同，它的出现打破了美国对卫星导航独家经营的局面，既可为民间用户提供独立的导航服务，又可与GPS结合，提供更好的精度。作为欧洲最大的独立联合体，欧盟在卫星导航系统上自然也不甘落后，从1994年开始，欧盟国家就顶着美国的巨大压力开始对伽利略系统方案实施论证。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系统的建设，该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资36亿欧元建设，它由30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要用于民用。就在伽利略计划提出后不久，中国也开始打造自己的卫星导航系统：北斗导航系统，并于2000年10月31日发射第一颗卫星：北斗-1A。迄今为止北斗系统一共发射了11颗卫星，其中北斗一G2疑似脱离轨道失效。这套系统布建完成之后将由35颗卫星组成，精度也是大约10米左右。以上所述就是当今世界的四大卫星导航系统，其中以GPS应用最为广泛。
时下的卫星导航技术，大多采用三球交会定位原理。它以已知卫星或地球质心为球心，以已知卫星或地球质心到用户距离为半径，绘制3球的交会点，进而推算出用户位置。采用有源时间测距的卫星导航定位技术时，用户终端主动通过导航卫星向地面控制中心发出定位申请信号，然后地面控制中心发出测距信号，根据信号传输的时间测定用户到两颗卫星的距离，推算出用户的位置，最终发送到用户终端。采用无源时间测距的卫星导航定位技术时，用户被动测量来自4颗导航卫星发出的信号，根据信号传输时间测定用户到这些卫星的距离，然后通过数学运算得到用户的三维坐标与速度。从原理上来看，其实卫星导航所采用的技术也正是脱胎于天文导航与无线电导航，只不过是一个超级无敌威力加强版罢了。
导航前景 组合为先
从20世纪末开始，在各个领域中所应用的导航技术已经不仅仅是某种导航技术的单独应用了，惯性导航与卫星导航经常被组合使用，比如说大家所熟悉的战斧式巡航导弹，美国在伊拉克战争中撇了那么多，一方面是利用了自己的全球卫星定位系统来导航，另一方面这些导弹也都搭载了惯性导航系统；在民用方面，汽车上所采用的导航系统，也会采用惯性导航和GPS导航相结合的方式，以便在GPS信号无法接收时也能保持正确导航。组合导航已经成为了未来的发展趋势，相信随着科学技术的发展，大家在日常生活中也会更多地领略到它们的风采。
乡间公路上，一个拉风的年轻人开着车，唱着“我一路向北，离开有你的季节，你说你好累，已无法再爱上谁，风在山路吹，过往的画面，全都是我不对，细数惭愧，我伤你几回；我一路向北，离开有你的季节，方向盘周围，回转着我的后悔……”一路向北，也算是来之不易啊!
天地万物前来指导
嘉佑元年，欧阳修同志与他的好朋友刘敞作别，醉翁可能是怕这位小弟出门在外找不着北，写的赠诗中就有了这么一句“行迷方向但看日，度尽山险方逾沙”。你看看这哥们多够意思，兄弟出门都叮嘱到这份上了：你要是迷失了方向啊，那你就看看太阳，这东西朝由东升，晚从西落，只要你能大致把握好时间，你就能知道方向了。抬杠党马上就得说了，那晚上呢?晚上太阳没了看啥啊?能问这问题的兄弟肯定脑子里有点贵恙，晚上没太阳了不是还有星星吗?在北宋王朝的很久很久以前，前到公元前，古人们就掌握了这些常识啦，看，在那浩瀚的星空上，不是有北极星嘛!还有那北斗星，不是也在它周围吗?当你面对着北极星，你的右边就是东，左面就是西，背后就是南，如果你连这些都不知道，健次郎是不会原谅你的!
地磁导航这个靠谱
欧阳修这个人吧，诗词写得不错，理工科好像一般，毕竟那时候数理化神马的都是杂学。他告诉刘原父找不到方向了就看太阳，这手段也太落后了，如果送行的人是沈括，肯定得和刘敞这么说：“刘大人啊，你这旅途上可别找不着北，在下就送你个指南针来辨别方向吧。”指南针是咱们中国的四大发明之一，早在战国时期，中国人就发现了天然磁石。但指南针的发明，学术界上一般都认为是在公元十一世纪，也就是北宋时期。这个时候中国的自然科学也不受重视，但好在社会风气自由，曾公亮、沈括这些当官的除了上班看报纸、喝茶水之外，也爱研究这些副业。曾公亮所著《武经总要》中曾提到“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也”。这就是传说中的指南鱼的做法，采用的是热残磁的人工方法来制作指南设备，
沈括在《梦溪笔谈》中还记载了另外一种使用摩擦生磁的办法。总之，宋人已经熟练掌握了人工磁石的制作方法，并且将其粗加可观天这种大事，就怕阴天下雨，太阳公公不出面。星星姐姐也都藏起来了，剩下我们孤独的人类，又该如何通过大自然的指引来寻找方向呢?古人们可真有智慧，虽然当时没有什么先进的仪器，但是他们的总结观察能力，那可是超一流的。就拿咱们北半球来说吧，古人发现这个大树的年轮吧，总是北面密集，南面稀疏，找个斧子，砍上一工后制作成了指南设备。沈括总结了水浮、缕悬等几种磁针放置的方法，将这个发现应用到实际生活中来辨别方向，更加难得的是，这老哥还发现了磁偏角的存在，他说“以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”，也就是发现了指南针所指南北并非地理南北。三百多年后，哥伦布用中国人发明的指南针的加强版航海罗盘向新大陆航行时，欧洲人才发现了磁偏角的存在，后来哈特曼先生又发现了磁倾角。(磁偏角为地磁水平分量和地球正北方的夹角，磁倾角为地磁与该地水平面的夹角。)最终，英国人吉尔伯特根据这些发现指出了指南针能够辨别方向的缘由——地球本身就是一个大磁体。
棵树，南北就找到了：再比如吧，如果是秋天，这大雁总是要向南飞：还比如吧，这个蚂蚁的洞口，一般都是朝南的。这些也都可以用来辨别方向，可这天地万物指引方向，总有点不靠谱，日月星辰时常休假，自然景观偶有偏差，所以要不在这个世界上迷失，光靠这些指导是不行的，还得找点靠谱的东东才成。
人类在很长一段时间内都是利用这种初级的地磁导航设备来辨别南北。当然同时代还有其他导航方式，咱们后边还会说。这里要说的地磁导航在20世纪中叶又重新得到了重视，地磁场这资源多好啊，绿色无污染，还是固有公共资源，不用白不用，所以国外很多公司和科研机构都开始通过地磁感应器测得的实际地磁数据来和计算机中所保存的地磁基准图来进行匹配对位。因为地球上任意一点的地磁矢量都具有唯一性，并且能够和地理上的经纬度存在一一对应的关系。所以只要确定了这一点的地磁数据都能够实现全球对位。这可就不单单是确定一个方向那么简单了，而是真正意义上实现全面导航。现代地磁导航技术正在高速发展当中，算是在焕发第二春，但在地球磁场模型建立、磁强计测量精度、地磁导航滤波算法上还都存在着很多问题。
P.S.关于指南车和司南
据中国传说，早在三千多年前，传说中黄帝蚩尤两个部落大战，黄帝凭借着指南车在狂沙中找到了方向，一举奠定胜局。一说指南车，大家可能就想到了，这东西是不是就是中国人利用地磁发明的导航器啊?其实不然，指南车应该是一套机械指南设备，假人先定位指向南，再依靠齿轮运行来维持这种恒定性。黄帝那时候还拿着木头棒子打仗呢，齿轮应该没啥戏。所以指南车这个东西在那么久远之前就被发明，这还真的值得怀疑。真正记载指南车的结构和技术规范的文献见于《宋史·舆服志》之中，有兴趣的朋友可以去查询，《Geek》在此只是说明指南车并非是地磁导航装备。
天文导航给你力量
虽然咱们在文章开头把天地万物的导航说得挺不堪的，其实凡事只要能够做彻底、深入的研究，未必不能总结出准确可靠的规律和方法来。《Geek》前两期曾花了很大的篇幅来介绍天文学的发展，其实人们在研究天文的时候，也同时在应用天文，这其中有一项很重要的成果就是天文导航。在大航海时代，航海家们不仅仅需要知道自己前进的方向，更迫切地需要知道自己所处的位置，而人们通过长期的天文观测，已经整理出了不少星历资料，将他们总结成星表。这东西能够描述在某一时刻内某一颗恒星相对于地球的位置。现在如果我们拥有一个仪器可以测量出天体相对于参考基准面的高度角和方位角，那么自然就可以通过已知规律来推算出自己的所在位置。航海家们先是用由一个刻有度数的圆盘及一根瞄准管构成的星盘来测量天体的高度，但这东西精度不高，现在说起星盘来，一般人都以为是算命的。后来在16世纪的时候，英国有个叫做约翰·戴维斯的航海家自己设计了一个象限仪，通过对太阳的定位来确定自己的纬度。注意这里我们始终没有提经度的概念，因为经度的确立是又两百年之后的事情了，等到本初子午线也确定下来的时候，航海家们才能用经纬度来准确描述自己的位置了(测定经纬度的历史请见2010年4期《Geek》)。
18世纪，两大神器天文钟和六分仪的出现，正式标志着天文导航进入了一个成熟阶段。经度测量的基本原理就是通过比较太阳上中天时地方时间与出发地的时间出现在历史教科书上的司南往往被认为是中国人所发明的较早的利用地磁特性导航的装备，司南形体很似汤勺，据说是用天然磁石做成，将其放置在光滑表面上可指南北。人言亦言，大家也都信了。可这东西似乎有点不合理，司南磁矩过小，加上底部摩擦，指南难度相当之大。建国之初郭沫若委托钱临照先生以天然磁石复原司南，结果以失败告终，后来王振铎先生倒是复制了一1、现在国家博物馆都不展出了，原因不明，就此打住。
差，而有了计时器的准确测量，很容易就做出这种比较。举个例子来说，如果当地太阳上中天的时间比格林威治时间早了一个小时，那么这个地方自然是东经15度了：六分仪是一个扇形装置，其组成部分包括一架小望远镜，一个半透明半反射的地平镜，一个与指标相联的指标镜。六分仪的刻度弧为圆周的1／6。使用的时候，观测者手持六分仪，转动指标镜，使在视场里同时出
现的天体与海平线重合。根据指标镜的转角可以读出天体的高度角，从而确定出自己所在的纬度。后来美国船长T.H.萨姆纳发现天文船位线，法国海军军官圣伊莱尔发明截距法，使得航海中的天文导航变得更加准确易行了。
六分仪
天文导航不仅应用在航海上，到了近代，空战和航空之中也大量应用了天文导航系统，其核心仪器是自动天文跟踪器、天文罗盘和六分仪。自动天文跟踪器能从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度；天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示飞行器的航向：六分仪通过对恒星或行星的测量而指示出飞行器的位置和距离，其原理与航海所用的系统基本上是一致的。不过天文导航最大的缺点就是你得能见天，这要是阴天下雨航海或是进行超低空飞行，就有点不好用了。但相比咱们还要提到的几种导航技术，天文导航不需要其他地面设备的支持，所以即使到了导航技术非常发达的现在，船长和飞行员们一般都还带着这么一套自主式导航系统，万别人不能给予自己导航支持了，手中还有这一利器保证自己不会迷失。
无线电导航 辉煌一时
前面貌似咱们提到了空战，那就说说空战吧。话说那是1940年冬，英国军事工业重镇考文垂市上空突然响起了刺耳的空袭警报，随后便是长达1_个小时的爆炸声，当人们走出防空洞的时候，他们那熟悉的城市已经近乎消失了。当然英国人也没有光挨炸，1942年初，英军出动千架飞机轰炸德国工业城市科隆，光炸弹就扔了1000多吨，给德军造成了重大的损失。从表面上看，英德空战较量的似乎是军事实力，其实主角除了那些翱翔在天空上的飞机，还有人们看不见的无线电波。
地面无线电测向导航
说到无线电导航的发明，其实和天文导航不无关系，前面咱们也说了天文导航受天气影响很大，19世纪初的时候，美国飞行探险家查理·林森博格要完成跨越大西洋的壮举，他从美洲飞往欧洲的途中，遭遇了暴风雨，天文导航自然是不能用了，这厮稀里糊涂地飞了几十个小时，突然看见了一个渔船，他赶紧低飞过去，使劲喊了一嗓子：“爱尔兰在哪儿啊?”这个宛若笑话式的故事确实体现了天文导航的局限性，而无线电导航也恰恰是为了弥补这个缺点而被发明的。早在1911年的时候，就有人开始研究无线电波的定向性，一战中，德国齐柏林飞艇轰炸伦敦时就使用了原始的地面无线电测向导航。到了第二次世界大战的时候，无线电导航成为了飞机和舰艇必需的设备，雷达成为了决定一场战争成败的关键。而当时同盟国与协约国之间长期的空战、海战更是催使这项技术快速发展，德国的Knickebein系统、英国的Gee系统、美国Loran系统都曾名扬一声，这些系统都是利用电磁波的传播特性制定的。电磁波在均匀理想媒质中沿直线传播，在自由空间的传播速度是恒定的，在传播路线上遇到障碍物或在不连续媒质的界面上时会发生反射。由此原理，通过在地面导航站和飞机上安装发射器和接收器来完成测角、测距和测速工作。
虽然无线电导航相比天文导航具有不受天气影响的优越性，但其本身也存在着许多缺点，那就是无线电波非常容易受干扰，二战时期交战双方几乎每天都在想着破坏对方的无线电导航系统。而且无线电系统受地面导航站影响比较大，一旦没有地面支持，飞行员马上进入失明状态。在二战之后，无线电导航系统广泛应用在民用航空上，大家在乘坐飞机的时候都会被要求关闭手机等设备吧(虽然不关手机也未必出事故)，这就是无线电导航的缺点导致咱们不得不如此，这个曾经显赫一时的导航技术，已经真的成为了明日黄花。
惯性导航广泛应用
惯性导航技术的核心元件陀螺仪
就在英国皇家空军发动“千机大轰炸”的这一年，德国人在地面武器上开始采用了一种全新的导航技术：惯性导航。惯性导航最早被应用在V2火箭上面，系统采用了两台陀螺仪和一台横向加速度表，再加上一台模拟计算机来调整火箭飞行的方位。根据测量数据，模拟计算发出信号调整4个位于垂直尾翼上的外部方向舵来控制火箭的飞行，是一套封闭式的自主导航系统。德国战败，冯·布劳恩带着500多名火箭专家跑到美国继续做惯性导航研究。到了1952年夏天，美国的两位博士开始在IBM 650计算机上利用MAC语言进行导航计算，这一弄就是6年，第一个惯性导航计算模型总算在1958年诞生，而MAc语言作为第一种可以人工阅读的计算机语言也在航天方面得到广泛应用。同一年，舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天，证明了惯性导航可以在船舶、潜艇、车辆等多个领域广泛使用。1961年2月，美国国家航天航空局委托麻省理工学院为阿波罗登月计划设计导航系统，其核心系统还是惯性导航。
早期的惯性导航系统
讲完了发展也该说说惯性导航的原理了，想用几百字来概括绝对是自不量力，只能简单说说。惯性导航系统的基础是牛顿的力学定律，它通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等元件组成。测量装置包括加速度计和陀螺仪，3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动：3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度；计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据，控制显示器则是用来显示各种导航参数。按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，惯性导航分为平台式系统和捷联式系统，前者安装在机电平台上，后者直接安装在载体上。捷联式系统是目前惯性导航的主流系统，被广泛应用在航海、航天等领域。至于技术细节，请童鞋们参考国防工业出版社那本厚厚的《惯性导航原理》一书吧!240多页的内容包含从概念到模型到原理等等知 识，其中涉及大量的专业知识，就算你是理工科的学生读起来也要有很长的消化吸收时间。
卫星导航时代宠儿
GPS卫星的运行轨道
说到卫星导航，这恐怕是大家最为熟悉的一个名词了。看看自己的座驾，翻翻兜里的手机，卫星导航系统都有可能存在其中。这项技术的启蒙源于1957年苏联发射的第一颗人造卫星，当时美国霍普金斯大学的吉尔博士和魏分巴哈博士对卫星遥测信号的多普勒频移产生了浓厚的兴趣，他们认为利用卫星遥测信号的多普勒效应可对卫星精确定轨，而同所大学的克什纳博士和麦克卢尔博士则认为在已知卫星轨道的前提下，利用卫星信号的多普勒效应可确定观测点的位置。恰好当时美国海军正在寻求一种可以对北极星潜艇中的惯性导航系统进行间断精确修正方法，于是美国军方便积极资助霍普金斯大学应用物理实验室开展进一步的深入研究。在克什纳博士的领导下，子午卫星导航系统于1964年1月正式建成并投入军方使用，后来由军方解密供民间使用。但这套导航系统存在着许多不足，美国国防部在1973年12月正式批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统：全球定位系统(G JoboI PositioninSystem)，简称GPS。这个计划总投资300亿美元，经历了方案论证、系统论证、试验生产三个阶段，终于在20世纪90年代中期投入使用。GPS卫星系统共由24颗卫星组成，分布在6条交点互隔60度的轨道面上，军民两用，精度约为10米，在得到军方授权后，精度更高。
车载GPS导航系统
就在美国对GPS定位系统进行论证的时候，前苏联也开始了卫星导航系统的布建，该系统叫做全球导航定位系统(Globol Navigation Satelite Svstem)，简称GLONASS。这个计划于1982年开始实施，不巧赶上苏联解体，历经一番周折之后，最后由俄罗斯于1996年建成。该系统也是由24颗卫星组成，精度与GPS大致相同，它的出现打破了美国对卫星导航独家经营的局面，既可为民间用户提供独立的导航服务，又可与GPS结合，提供更好的精度。作为欧洲最大的独立联合体，欧盟在卫星导航系统上自然也不甘落后，从1994年开始，欧盟国家就顶着美国的巨大压力开始对伽利略系统方案实施论证。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系统的建设，该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资36亿欧元建设，它由30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要用于民用。就在伽利略计划提出后不久，中国也开始打造自己的卫星导航系统：北斗导航系统，并于2000年10月31日发射第一颗卫星：北斗-1A。迄今为止北斗系统一共发射了11颗卫星，其中北斗一G2疑似脱离轨道失效。这套系统布建完成之后将由35颗卫星组成，精度也是大约10米左右。以上所述就是当今世界的四大卫星导航系统，其中以GPS应用最为广泛。
时下的卫星导航技术，大多采用三球交会定位原理。它以已知卫星或地球质心为球心，以已知卫星或地球质心到用户距离为半径，绘制3球的交会点，进而推算出用户位置。采用有源时间测距的卫星导航定位技术时，用户终端主动通过导航卫星向地面控制中心发出定位申请信号，然后地面控制中心发出测距信号，根据信号传输的时间测定用户到两颗卫星的距离，推算出用户的位置，最终发送到用户终端。采用无源时间测距的卫星导航定位技术时，用户被动测量来自4颗导航卫星发出的信号，根据信号传输时间测定用户到这些卫星的距离，然后通过数学运算得到用户的三维坐标与速度。从原理上来看，其实卫星导航所采用的技术也正是脱胎于天文导航与无线电导航，只不过是一个超级无敌威力加强版罢了。
导航前景 组合为先
从20世纪末开始，在各个领域中所应用的导航技术已经不仅仅是某种导航技术的单独应用了，惯性导航与卫星导航经常被组合使用，比如说大家所熟悉的战斧式巡航导弹，美国在伊拉克战争中撇了那么多，一方面是利用了自己的全球卫星定位系统来导航，另一方面这些导弹也都搭载了惯性导航系统；在民用方面，汽车上所采用的导航系统，也会采用惯性导航和GPS导航相结合的方式，以便在GPS信号无法接收时也能保持正确导航。组合导航已经成为了未来的发展趋势，相信随着科学技术的发展，大家在日常生活中也会更多地领略到它们的风采。
乡间公路上，一个拉风的年轻人开着车，唱着“我一路向北，离开有你的季节，你说你好累，已无法再爱上谁，风在山路吹，过往的画面，全都是我不对，细数惭愧，我伤你几回；我一路向北，离开有你的季节，方向盘周围，回转着我的后悔……”一路向北，也算是来之不易啊!