改变了世界的革命者（三） 让指南针过时 [复制链接]

    【美国《发现》月刊文章】题：第13届《发现》杂志科学与技术创新年度奖———五位改变了世界的革命者
    在斯坦福大学，懂科技的人们所偏爱的服饰是粗斜纹棉布、平底人字拖鞋和奇异的人体穿环，而帕金森却是一个惊人的例外。身穿蓝色牛津布衬衫、折缝像刀子一样锋利的宽松长裤、擦得像镜子一般亮的懒汉鞋，戴一只海军学院戒指，他像自己的办公室一样整齐。而办公室布置得像他的言语一样有板有眼。
    鉴于他的成就，他那一切井井有条的习惯是合理的。创造全球定位系统（普遍的叫法是GPS）的功劳非他莫属。这项革命性的追踪技术已经改造了航行、战争、娱乐、执法和几乎每一种取决于知道某物现在、过去或将来在哪里的事业。仅去年就制造了大约900万件GPS设备，指南针因此而过时。
    帕金森说：“我喜欢组织，喜欢领导工作。”他的周围是一幅幅喷气式飞机的照片和军事纪念品。“我还直言不讳，并且对同辈之间的压力具有很强的免疫力。一旦知道做什么是对的，我就去做。”
    多个系统并存
    30年前，越南战争打得正酣的时候，取代由军队各部门所操纵的基于卫星和地面的各种定位系统成为迫切的任务。年轻的空军上校帕金森显然是适当人选。
    1972年11月他接管该项目的时候，卫星定位已经以初级形式存在了。1957年苏联人造地球卫星发射后不久，研究人员就得知，卫星能够跟踪方位。约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的物理学家吉尔和魏芬巴赫发现，通过衡量卫星无线电信号由多普勒效应所引起的变化，他们能够跟踪其轨道（当该卫星靠近时，嘀嘀声信号频率加快；卫星飞过后，嘀嘀声放慢）。到1964年，约翰斯·霍普金斯大学的科学家们已经使用4颗卫星，一次一颗地帮助“北极星”潜艇导航。该系统称为Transit,它把吉尔—魏芬巴赫概念翻转过来：接收器通过衡量具有已知方位的卫星所发出信号的多普勒变化，就能够确定自己在地球上的位置。但该系统需要起码花费90分钟才能找到一个方位———这在战斗情况下过于漫长了。
    与此同时，海军研究实验室投入大量精力研制3颗卫星当中的第一颗，以携带精确到百万分之一秒的石英装置。发射该卫星是为了校准世界上的钟表。空军支持了一个被称为621B的新系统，它有望带来两项巨大优势：敌人很难干扰它的伪随机信号，它能够不仅立刻跟踪到经度和纬度，而且还有高度。“在空军里，高度是很重要的。”帕金森笑着说。
    在这三个系统的倡导者们陷入帕金森所说的在五角大楼展开的一场“殊死斗争”的同时，帕金森自己则在老挝上空躲避着57毫米口径防空火炮的炮火。作为空军中一颗冉冉升起的工程设计明星，拥有麻省理工学院和斯坦福大学高级学位的帕金森，当时已经帮助研制了著名的AC—130武装直升机上的瞄准系统，他坚持要求在战斗中检验自己亲手制作的东西。他的战争经验使他对精确定位的必要性笃信不疑。他说：“我想要获得的是一种人性化的武器。这到底是什么意思？就是说军队需要能够击中它想要击中的东西，而漏掉它想要漏掉的。我们需要能够把5颗炸弹投掷到同一个孔洞之中。”
    整合与创新
    战争结束后，帕金森回到美国。空军选中他来领导一项最终耗资3·9亿美元的任务。他们想要他创造出一个快速、准确的全球定位系统，不仅空军，而且军队的所有部门都能使用。帕金森全身心地投入这项工程，希望兼收并蓄各个系统。他认识到，“空军以外的其它系统的一些方面肯定是高超的。”在一次马拉松式的会议上，他和他的小组草拟了一份7页的文件，汲取了每个现有概念中的精华。他说：“我们利用了空军的信号结构和海军的轨道，接受了陆军有关用户设备的要求。它实在是一个合成方案。”
    这个卫星系统造价估计为40亿美元。直到今天，它在概念上仍然保持原样。24颗卫星环绕地球，分为6个轨道平面，高度为12500法定英里（1法定英里约合1·609公里）。
    地面上的一个全球定位系统接收器从用卫星上的原子钟校准自己的廉价石英钟开始。这些原子钟精确到50亿分之一秒以内。接收器分析来自4颗卫星的信号，通过复杂的代数运算来获得对接收器的时间和方位的精确校准。
    这使接收器得以准确地确定一个信号从一颗给定的卫星传来需要花多长时间。接收器然后就能够估算自己与卫星之间的距离。这一过程称为测距。
    例如，如果一个无线电信号从一颗卫星传输到地球上的一个GPS接收器的时间为0·07515秒，则接收器可以算出卫星在14000英里外，因为0·07515秒乘以无线电的传输速度186282英里／秒等于14000英里。这意味着接收器必定位于一个半径为14000英里的球面上的某个地方，卫星是该球面的中心。
    一旦接收器执行了利用另外两颗卫星的相同的测距运算，结果就是三个相交的球面，它们只能在两点上相交。由于其中的一个点通常是一个不可能的方位，要么远远高于地球表面，要么过低，所以剩下的那个点就标志着接收器的方位。利用第4颗卫星的校准确保了GPS接收器中的钟准确无误。
    它不仅顺利运行，而且是经济合算地运行。帕金森在设计过程中有先见之明的要求之一，也是消费者们今天能够仅仅花100美元就买到GPS接收器的原因，就是该系统必须是数字的。他说：“模拟系统总会需要昂贵的、高保真分立元件。我认识到数字式系统肯定会越来越便宜。”
    永远不迷路
    他说，到1978年，“我们有了对概念的证明”。这样，在22年后，他从空军退役，担任了各种学术和产业职务，最后于1984年到了斯坦福。在那里，他指导了一项旨在扩大民用GPS应用范围的研究计划。1994年，他的一批研究生给一架波音737安装了GPS制导设备，然后坐在一旁观看这架飞机连续着陆110次。1998年，他的另外一批学生研制了一台无人驾驶的、装备着GPS的拖拉机，其精确度在1·5英寸以内。它在加州中部的一个运动场上耕出了一个巨大的S（斯坦福的缩写）。最近，帕金森的研究生艾尔凯姆建造了一艘GPS制导的帆船，它配备着一个翅膀形状的帆，能够在偏差不到1英尺情况下沿着一条直线航行。
    2000年5月，克林顿总统颁布命令，取消GPS信号中的故意误差（过去美军的GPS接收器是能够消去这个误差的）。这样就制止了帕金森所说的民用接收器中的“摆动”，从而使其精确度大大提高。
    帕金森就本性而言并不是哲学家，但在追问下他承认，廉价、精确和无所不在的GPS接收器的问世预示着人类窘境的改善。这是人类第一次能够准确地知道自己在地球上哪个地方。他说：“每一代人都以自己认为理所当然的事情为特征。下一代认为理所当然的将是永远也不迷路。这是一个很大的变化。”