GPS之父：布拉德福德·帕金森

編譯 胡德良

布拉德福德·帕金森指導(dǎo)了第一個(gè)GPS的發(fā)射，并推動(dòng)了民用衛(wèi)星的早期應(yīng)用，他因此獲得了2018年度IEEE榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

當(dāng)我開車經(jīng)過加州圣路易斯奧比斯波的葡萄園山丘時(shí)，手機(jī)中的小型全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器與谷歌地圖協(xié)同工作，提醒我前面就該轉(zhuǎn)彎了。該應(yīng)用程序使我確信：盡管由于施工會(huì)造成短暫的延誤，我仍將準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。

在GPS出現(xiàn)之前的年代，這段路程行駛起來有多么艱難是可想而知的，一個(gè)十字路口的路標(biāo)不清就很可能會(huì)把你引向歧途。我的方向感不好，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，迷路或擔(dān)心迷路是我在生活中感到最壓抑的事情。

這次GPS導(dǎo)航的旅程把我?guī)У讲祭赂５隆づ两鹕˙radford W. Parkinson）的面前。帕金森本人就是創(chuàng)建GPS技術(shù)的人，而我們現(xiàn)在卻認(rèn)為GPS這個(gè)工具是理所當(dāng)然的。由于帕金森研發(fā)了GPS技術(shù)，并推動(dòng)了該技術(shù)的早期應(yīng)用，他榮獲了2018年度IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

我們見面片刻之后，他說：“不要說我是GPS的發(fā)明者，我是主要的倡導(dǎo)者，是首席設(shè)計(jì)師和研發(fā)者，但不是發(fā)明者?！蔽覇柕溃骸罢f是領(lǐng)導(dǎo)者，怎么樣？”他回答道：“即使那么說也是夸張的——我身邊的人全都是不甘心失敗的！”

帕金森對(duì)自己的貢獻(xiàn)可能保持了謙虛的態(tài)度，但是很難否認(rèn)他就是將利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航這個(gè)“不切實(shí)際”的幻想變成現(xiàn)實(shí)的人。

帕金森為GPS所做的準(zhǔn)備開始于很久以前對(duì)地圖的酷愛。童年時(shí)，帕金森臥室的墻壁上貼著明尼蘇達(dá)州北部邊界水域的大型地圖，地圖上顯示的是他喜歡乘坐獨(dú)木舟去探險(xiǎn)的湖泊和溪流。他回憶道：“那是容易迷失方向的水域，你必須要保持頭腦清醒。”

1957年夏季，帕金森剛從美國(guó)海軍學(xué)院畢業(yè)，他就得到了一份工作——為一個(gè)大型建筑項(xiàng)目當(dāng)測(cè)量員。

帕金森接受的研究生教育又為他奠定了研究基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)他希望加入空軍而不是海軍，因此1960年美國(guó)空軍將他送入麻省理工學(xué)院，他在那里學(xué)習(xí)了幾門慣性導(dǎo)航課程。當(dāng)時(shí)師從查爾斯·斯塔克·德雷珀（Charles Stark Draper），這是一次不容錯(cuò)過的機(jī)會(huì)。這些課程的學(xué)習(xí)使帕金森在霍洛曼空軍基地謀得一個(gè)職位，他當(dāng)了三年慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試領(lǐng)域的首席分析師。

1964年，帕金森前往斯坦福大學(xué)攻讀博士學(xué)位，他的導(dǎo)師是本杰明·蘭格（Benjamin Lange）。他說：“本杰明想把一個(gè)自由轉(zhuǎn)子陀螺儀放在軌道上來測(cè)試廣義相對(duì)論?！?/p>

帕金森發(fā)明了一種傳感器，這種傳感器能夠感應(yīng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于期望軸的位置。帕金森利用一種他稱之為“半球施矩”的算法，通過施加一個(gè)磁場(chǎng)來調(diào)整轉(zhuǎn)子的位置，使其能夠沿著期望軸旋轉(zhuǎn)，不會(huì)改變?cè)谔罩械目傮w位置。時(shí)至今日，帕金森的技術(shù)仍然應(yīng)用在一些高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。

帕金森對(duì)導(dǎo)航和空間系統(tǒng)的了解越來越深刻，同時(shí)其他研究人員也正在萌發(fā)GPS相關(guān)的念頭。1960年，美國(guó)海軍開始測(cè)試“導(dǎo)航衛(wèi)星”方案，該方案是一種基于衛(wèi)星的方法，用于更新潛艇使用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)?！皩?dǎo)航衛(wèi)星”系統(tǒng)的運(yùn)行僅僅依靠4顆低空越極軌道衛(wèi)星。這些衛(wèi)星跟地面站網(wǎng)絡(luò)一起工作，能夠每天為緩慢行駛的船只確定幾次經(jīng)度和緯度，存在大約100米的誤差。

在加州家鄉(xiāng)附近的農(nóng)田中，帕金森凝視著一個(gè)GPS IIF衛(wèi)星的模型。有時(shí)，他在田間會(huì)發(fā)現(xiàn)GPS導(dǎo)航下的自動(dòng)拖拉機(jī)

航空航天公司總裁伊凡·格廷（Ivan Getting）認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)還不夠好。1962年，他開始了三維衛(wèi)星定位系統(tǒng)的宣傳活動(dòng)，宣稱這種定位系統(tǒng)將會(huì)更加準(zhǔn)確，而且隨時(shí)可用。幾年前，格廷告訴我，他把這一愿景推薦給武裝部隊(duì)的首腦（也是總統(tǒng)科學(xué)顧問）以及他認(rèn)為可能具有影響力的任何人，試圖讓這個(gè)艱難的項(xiàng)目得到資助。

格廷的努力得到了空軍的資助，這是一項(xiàng)基于空間的導(dǎo)航研究，最終的研究報(bào)告由詹姆士·伍德福德（James Woodford）和中村拓志（Hiroshi Nakamura）撰寫，于1966年簽章生效，但是從此以后到1979年一直處于保密階段。其中包含了12項(xiàng)技術(shù)，也包含最終成為GPS的技術(shù)。

1972年，帕金森的研究路徑跟衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了交叉。此前的幾年中，帕金森一直在羅得島州新港市的海戰(zhàn)學(xué)院做研究，他想什么時(shí)候駕船航行都可以。下一步，可能就是來自五角大樓的任務(wù)了。當(dāng)時(shí)他接到了一位上校的電話，這位上校是被稱為“空軍慣性導(dǎo)航黑手黨”組織的成員。帕金森解釋說：“這個(gè)組織不是什么涉黑組織，只是上過麻省理工學(xué)院慣性導(dǎo)航課程的人們相互之間的一種聯(lián)系?！鄙闲Ｌ岢鼋ㄗh：如果帕金森想要建立導(dǎo)航系統(tǒng)，而不是僅僅分析導(dǎo)航系統(tǒng)，那么他就應(yīng)該加入洛杉磯的“高級(jí)彈道再入系統(tǒng)”（ABRES）計(jì)劃。

當(dāng)時(shí)，帕金森本人也剛剛晉升為上校，他聽取了這位上校的建議，搬到了洛杉磯。他在ABRES待了三個(gè)月多一點(diǎn)，研究高端鼻錐技術(shù)以及其他導(dǎo)彈技術(shù)。也正是在這個(gè)階段，他被當(dāng)作最合適的人選接管了一個(gè)被稱為“621B”的衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃。帕金森的資格符合要求，但是他不想干這份工作。帕金森說：“當(dāng)時(shí)達(dá)成的共識(shí)是該計(jì)劃將毫無結(jié)果，肯定會(huì)走進(jìn)死胡同。”

帕金森回憶道：“然而，是一位三星級(jí)將軍提出讓他接管該計(jì)劃的，通常一個(gè)人對(duì)將軍不能說不行?！碑?dāng)時(shí)，該項(xiàng)目處于深度的困境之中。帕金森說，如果他能夠被任命為項(xiàng)目經(jīng)理，他就會(huì)接受這份工作。如果職位再低一點(diǎn)，他就徑直走人，也就不管理這個(gè)項(xiàng)目了。然而將軍拒絕了他，他也對(duì)將軍說：“那我就不情愿做這個(gè)項(xiàng)目了?！眲倓偺岚紊蟻淼纳闲?duì)將軍說不，也許這位將軍會(huì)感到不習(xí)慣。但當(dāng)他剛走出將軍的辦公室門口，將軍又將他叫了回來。他得到了想要的職位，于1973年6月底接管了“621B”計(jì)劃。

“621B”計(jì)劃的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)基于衛(wèi)星的、幾乎在世界上任何地方都能夠運(yùn)行的導(dǎo)航系統(tǒng)。研究小組已經(jīng)制定了大部分計(jì)劃，他們想利用4顆衛(wèi)星對(duì)該計(jì)劃進(jìn)行展示——這可不是一項(xiàng)省錢的計(jì)劃。帕金森開始跟他的工程師們一起翻閱每一項(xiàng)提案。

從航空航天公司派來研究這個(gè)項(xiàng)目的工程師沃爾特·梅爾頓（Walter Melton）說：“他剛剛到來時(shí)，我們有些擔(dān)心，我們聽說他來自慣性導(dǎo)航黑手黨?！惫こ處焸儞?dān)心的是帕金森會(huì)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航持有偏見，因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航被認(rèn)為是慣性導(dǎo)航的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。梅爾頓說：“但是，最初幾周過去之后，我們明白了他是理解這項(xiàng)技術(shù)的，而且是該技術(shù)的支持者?！?/p>

1973年8月，帕金森向五角大樓國(guó)防系統(tǒng)收購(gòu)審查委員會(huì)提交了該提案。他回憶道：“我把我要努力做的事情告訴了會(huì)議桌周圍所有的將軍們和資深的民眾代表們，然后他們進(jìn)行了投票表決。”但是，投票表決的結(jié)果是“未通過”。

時(shí)任國(guó)防研究與工程部的副部長(zhǎng)馬爾科姆·柯里（Malcolm Currie）主持了那次會(huì)議。當(dāng)時(shí)，柯里在洛杉磯地區(qū)的家鄉(xiāng)附近進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間逗留，他準(zhǔn)備舉家搬遷到華盛頓哥倫比亞特區(qū)。有一次，柯里回到了洛杉磯，帕金森將有關(guān)衛(wèi)星導(dǎo)航的技術(shù)對(duì)柯里進(jìn)行了一對(duì)一輔導(dǎo)，花了幾乎整個(gè)一下午的時(shí)間。現(xiàn)在，帕金森認(rèn)為，在投票表決沒有通過之后，衛(wèi)星導(dǎo)航仍未被卡死，就是那天下午的輔導(dǎo)起了作用。

在口述這段歷史的時(shí)候，帕金森說柯里告訴他：“聽著，你做得非常非常好，但是你我都知道這不是真正意義上的聯(lián)合計(jì)劃……回去將其重組為一項(xiàng)聯(lián)合計(jì)劃，然后盡快地拿給我，我可以非?？隙ǖ卣f，我們將會(huì)批準(zhǔn)這個(gè)計(jì)劃的?！笔聦?shí)上，那次輔導(dǎo)使柯里成為衛(wèi)星導(dǎo)航的同盟，他很快提醒帕金森：他所介紹的這個(gè)概念不是帕金森本人提出的，他沿用了別人的概念。

帕金森和他的工程師在勞動(dòng)節(jié)的那個(gè)周末加班工作，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)出一套新的總體結(jié)構(gòu)。他們聚集在五角大樓，而沒有聚集在洛杉磯，因?yàn)楦@個(gè)計(jì)劃相關(guān)的太多人都還固守著老觀念。帕金森說：“由于是勞動(dòng)節(jié)的假期，我們聚集在空閑的辦公室里設(shè)計(jì)出了我們想要做的事情，并將其總結(jié)在7頁(yè)紙上?！?/p>

帕金森回憶說，后來被人們稱之為“寂寞廳堂”的會(huì)議導(dǎo)致了好幾個(gè)關(guān)鍵的變化：該系統(tǒng)的“碼分多址”（CDMA）無線電信號(hào)被修改為既包括受保護(hù)的軍用信號(hào)，也包括民用信號(hào)；考慮到現(xiàn)有運(yùn)載火箭的射程，調(diào)整了衛(wèi)星軌道以減少在最佳高度上所需衛(wèi)星的數(shù)量；設(shè)計(jì)采用了原子鐘，這樣將不再需要地面接收器保持精確的時(shí)間。

20世紀(jì)70年代中期，帕金森（中）跟航空航天公司的弗蘭克·巴特菲爾德（Frank Butterfield，左）和美國(guó)海軍的比爾·休斯頓（Bill Huston，右）正在討論GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

帕金森說，這第三個(gè)變化是最具冒險(xiǎn)性的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)能夠?qū)Ω短蛰椛涞脑隅娺€不存在。但是，他知道海軍研究實(shí)驗(yàn)室的羅杰·伊斯頓（Roger Easton）正在研發(fā)一種符合太空標(biāo)準(zhǔn)的原子鐘，這是美國(guó)海軍“時(shí)間導(dǎo)航”衛(wèi)星計(jì)劃的一個(gè)環(huán)節(jié)。帕金森確信，這種原子鐘的某種類型將能夠應(yīng)用在演示衛(wèi)星上。

對(duì)于消費(fèi)者今天使用的既便宜又小巧的GPS接收器來說，這個(gè)決定是至關(guān)重要的。帕金森說：“相反，如果我們大家都不得不攜帶超級(jí)精準(zhǔn)的時(shí)鐘，那么接收器的價(jià)格就要昂貴多了，而且還會(huì)像一摞字典那么大。此外，接收器還需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，以保持準(zhǔn)確性。當(dāng)然，那樣的接收器不會(huì)變成一套微型的電子器件，不會(huì)便宜到1美元以下，也不可能塞進(jìn)每一部手機(jī)中。”

帕金森特別希望消費(fèi)者使用這個(gè)新系統(tǒng)。在他看來，這項(xiàng)工程始終擔(dān)負(fù)著雙重使命——超級(jí)準(zhǔn)確性和可購(gòu)性。他甚至在洛杉磯的各個(gè)項(xiàng)目辦公室門口掛上一塊木牌，強(qiáng)調(diào)這樣一條信息：該辦公室的任務(wù)是將五枚炸彈扔進(jìn)同一個(gè)洞內(nèi)以及創(chuàng)造一種便宜的導(dǎo)航設(shè)備——大家要切記！

在“寂寞廳堂”會(huì)議之后，帕金森花了幾個(gè)月的時(shí)間向五角大樓的工作人員和決策者推薦這個(gè)提案。他頻繁地飛往華盛頓，每周達(dá)兩次，兩個(gè)月之內(nèi)舉行了60次會(huì)議。對(duì)此，他仍然保留著一份清單。

帕金森堅(jiān)定地說：“的確，這種信號(hào)足夠強(qiáng)大，在周圍嘈雜的環(huán)境中能夠被發(fā)現(xiàn)；無疑，該系統(tǒng)10米的精確度是能夠?qū)崿F(xiàn)的；沒錯(cuò)，1.8億美元能夠包括4顆衛(wèi)星和相關(guān)地面設(shè)備的費(fèi)用?！保ㄗ罱K的費(fèi)用大約為2.5億美元，但是該費(fèi)用還包括了兩顆額外衛(wèi)星的花費(fèi)，不算超額太多。）

在“621B”計(jì)劃中，帕金森的同事梅爾頓說：“他很像個(gè)推銷員。”

1973年12月，國(guó)防委員會(huì)批準(zhǔn)了該提案。帕金森領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施了為期三年半的“621B”計(jì)劃，終于第一顆GPS衛(wèi)星發(fā)射升空了，而且初步測(cè)試證實(shí)該系統(tǒng)能夠按設(shè)計(jì)的那樣運(yùn)行。

GPS衛(wèi)星首次發(fā)射的時(shí)候，伊斯頓的原子鐘并沒有準(zhǔn)備就緒。但是，羅克韋爾國(guó)際公司的工程師也在研究適合用在太空的原子鐘，而且已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。然而，帕金森仍然贊揚(yáng)了伊斯頓。他說：“伊斯頓使我相信我們能夠做到這一點(diǎn)，這是非常重要的?！?/p>

包含24顆衛(wèi)星的完整系統(tǒng)是于1995年投入使用的。俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）是蘇聯(lián)時(shí)代開始的一項(xiàng)類似的工程，也是于1995年竣工的。歐盟的伽利略系統(tǒng)和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可望于2020年完成。

1978年，帕金森從空軍退役，但他并沒有將GPS拋到腦后，他在企業(yè)擔(dān)任了幾個(gè)職位（包括羅克韋爾國(guó)際空間系統(tǒng)集團(tuán)副總裁和Intermetrics公司副總裁）。之后，他于1984年返回斯坦福大學(xué)，這次不是學(xué)習(xí)，而是擔(dān)任航空航天學(xué)教授。他作為項(xiàng)目經(jīng)理和主要研究人員立即重新加入了軌道陀螺儀項(xiàng)目，現(xiàn)在稱之為“重力探測(cè)器B”項(xiàng)目。2004年，該探測(cè)器發(fā)射成功。

帕金森還主持了一項(xiàng)旨在開發(fā)GPS民用技術(shù)的研究，這項(xiàng)研究工作的成果包括一艘機(jī)器人帆船、GPS導(dǎo)航下的首次商用飛機(jī)著陸和一個(gè)地面站系統(tǒng)。這個(gè)地面站系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)和校正衛(wèi)星數(shù)據(jù)來提高GPS定位的精度，后來發(fā)展成為美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用地面站的數(shù)據(jù)，通過糾正由于軌道漂移和通過大氣時(shí)的延遲等引起的信號(hào)誤差來提高GPS的精度。

帕金森的研究小組還開發(fā)了到今天他仍然鐘愛的一項(xiàng)應(yīng)用——自動(dòng)拖拉機(jī)。有一段時(shí)間，他一直將自動(dòng)拖拉機(jī)保持在自己的視野里；早在1978年的談話中，他就把這項(xiàng)應(yīng)用列為未來GPS應(yīng)用的一部分，但是，直到20世紀(jì)90年代，帕金森才獲得了推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的機(jī)會(huì)。

在斯坦福大學(xué)，他會(huì)見了一位迪爾公司的代表，這位代表的任務(wù)是在公司和大學(xué)之間建立聯(lián)系。帕金森為他展示了一輛GPS導(dǎo)引下的自駕駛高爾夫球車，他告訴這位來訪者：“考慮一下拖拉機(jī)的情況?！边@位迪爾公司的代表持有懷疑態(tài)度，他認(rèn)為農(nóng)民們不會(huì)購(gòu)買這樣一個(gè)系統(tǒng)。但是，該公司渴望跟斯坦福大學(xué)合作，于是同意資助一個(gè)開發(fā)項(xiàng)目。

帕金森說：“他們給我們匯來了90萬美元資金和兩臺(tái)大型拖拉機(jī)?！币粋€(gè)由學(xué)生組成的研究小組花了幾年時(shí)間開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)，于1997年首次展示了一個(gè)具有完善功能的系統(tǒng)。

自從那時(shí)候起，帕金森看到GPS導(dǎo)航下的精確農(nóng)耕作業(yè)一直都是心滿意足的。帕金森的家鄉(xiāng)有著一片農(nóng)場(chǎng)，他經(jīng)常在田野里漫步，令他感到喜悅的是有時(shí)他會(huì)發(fā)現(xiàn)GPS導(dǎo)航的正在作業(yè)的拖拉機(jī)。他說：“這些拖拉機(jī)節(jié)省了化肥和時(shí)間，節(jié)省的費(fèi)用足以支付拖拉機(jī)本身的費(fèi)用。”

佩尼娜·阿克塞拉德（Penina Axelrad）是帕金森以前的一位博士生，現(xiàn)在是科羅拉多大學(xué)教授。她說：“我認(rèn)為他喜歡GPS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，因?yàn)檫@清楚地說明了GPS就是為大家設(shè)計(jì)的。當(dāng)然，現(xiàn)在GPS就在每個(gè)人的智能手機(jī)中，但在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用是人人都會(huì)重視的早期應(yīng)用?！?/p>

盡管帕金森在斯坦福大學(xué)仍然擁有研究項(xiàng)目，但是從很大程度上來說，他現(xiàn)在已經(jīng)退休。

帕金森仍然是GPS最鐵桿的粉絲之一——在他的房子和汽車?yán)?，使用GPS的設(shè)備就有十幾個(gè)，包括他醒著的時(shí)候大部分時(shí)間都戴在手腕的那塊手表。阿克塞拉德說：“當(dāng)看到GPS所帶來的美妙功能時(shí)，他就會(huì)感到非常興奮?！?/p>

一旦帕金森感到GPS受到威脅時(shí)，他也會(huì)很快拋頭露面來提供保護(hù)。目前，他發(fā)現(xiàn)了來自Ligado網(wǎng)絡(luò)公司的嚴(yán)重威脅，該公司的目標(biāo)是利用1525兆赫到1559兆赫的頻段來創(chuàng)建寬帶無線網(wǎng)絡(luò)。這一頻段跟GPS使用的頻段（1164兆赫至1587兆赫）是相鄰的，從根本上說屬于為衛(wèi)星通信保留的其他頻段。Ligado網(wǎng)絡(luò)公司的頻段是為地對(duì)空通信保留的，利用有限的信號(hào)發(fā)射塔就能幫助用戶連接到網(wǎng)絡(luò)。然而，在2011年的時(shí)候，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)考慮對(duì)Ligado網(wǎng)絡(luò)公司的前身——光平方公司（LightSquared）實(shí)施有條件放權(quán)，允許該公司使用這一頻段進(jìn)行無限制的地面通信。GPS業(yè)界表示抗議，出示了干擾數(shù)據(jù)，2012年這家公司的使用權(quán)被收回。但是，最近Ligado網(wǎng)絡(luò)公司又提出一個(gè)創(chuàng)建低功耗系統(tǒng)的建議，稱這樣不會(huì)干擾GPS。

該建議被提交到了美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的面前。帕金森說，交通運(yùn)輸部的測(cè)試表明，Ligado網(wǎng)絡(luò)公司系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生廣泛的干擾，特別是對(duì)于絕大多數(shù)精確的設(shè)備來講，更是如此。帕金森在撰寫一篇社論，他要提醒公眾這個(gè)建議是具有危險(xiǎn)性的。他寫道：Ligado網(wǎng)絡(luò)公司的目標(biāo)是改變從空間到地面大功率發(fā)射機(jī)的安靜信號(hào)的標(biāo)示。很明顯，他們想利用這種方式來跟現(xiàn)有的寬帶公司進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。全國(guó)已經(jīng)有至少4家寬帶提供商了，而GPS只有一個(gè)。帕金森說：“破壞了GPS，對(duì)我來說是很危險(xiǎn)的?！?/p>

資料來源 IEEE Spectrum