第一章 绪论
物有本末，事有终始。知所先后，则近道矣。
—《大学》
在陌生的地方，人们需要知道自己的位置。我在哪里？该往哪里走？这些都是导航（navigation）技术可解决的问题。导航技术的发展来源于人类的本能需要，是人类社会的基本需求。
导航是人类*古老的科学技术之一。早在远古时期，人类便需要在丛林、山峦、沙漠与海洋之间穿梭，完成生存所必要的各种活动，创造并使用了各种古老的导航方法。他们或采取特征明显的山峰和大河作为标志，或标记各种神秘奇异的人工符号作为参考，或利用周而复始运行的日月和有着神话色彩的星斗作参照，或发明地磁罗盘和指南车等古代机械来辅助，等等。随着人类的发展、生存空间的拓展，以及运输方式的改变，不仅人自身需要导航，人类发明的各种运载体也需要导航。导航技术的发展从古至今都有着持续不断的社会需求发展内在的原动力。如果细心观察就会发现，近年来身边出现了移动终端测向定位、打车软件、手机导航地图、共享单车定位等各种导航技术的应用服务，导航技术的进步不仅决定着人类精确控制自身活动的能力，而且还深刻地影响着人类的社会生活。
随着科学技术的发展和军民用领域不断产生的大量需求，导航技术创新层出不穷，发展空间十分广阔。导航渐渐发展成为一门专门研究导航原理方法和导航技术装置的学科。在当今军用技术领域，导航技术业已成为军事指挥（command）、控制（control）、通信（communication）、计算（compute）、情报（intelligence）、监视（surveillance）、侦察（reconnaissance）、杀伤（kill）C4ISRK系统重要的组成部分。在舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器、战车等运载体上，导航系统都是必不可少的重要设备[1]。
第一节 导航的历史
初接触导航，需要简要了解导航的基本情况。本节从生物导航入手，进而介绍古今中外导航技术的发展历史，以介绍导航技术的梗概及重要作用。
一、生物导航
实际上，与人类相同，绝大部分生物都需要解决导航问题。在漫长的进化过程中，几乎所有动物都进化出必要的导航能力，所以生物大都具有神奇的经过长距离回到原先位置，或者能按照某个规律多次回到同一地点的导航能力。
关于鸟类、哺乳类、鱼类、昆虫等动物导航能力的报道非常之多。例如：北极狐可以在数月时间内从太平洋沿岸长途迁徙到大西洋沿岸，这个行程约等同于横跨加拿大东西侧；有一种叫斑尾塍鹬的滨鸟能从其繁殖地阿拉斯加飞越近半个地球到达新西兰；还有一种北美黑顶白颊林莺能以极快的速度借助信风，经过超过100h的海上飞行从美国东北部飞到南美过冬。鱼类也具备出色的导航能力。例如：体形修长的欧洲鳗鱼成熟后从生活的欧洲河流顺流而下，经过数千英里（1mile=1.6093km）直达马尾藻海产卵；鳗鱼幼苗出生后，又重新向欧洲迁徙。导航能力不仅可以帮助生物完成不可思议的长距离迁徙壮举，而且可以帮助生物实现日常捕食活动。例如：美国得克萨斯州的犬吻蝠能离开洞穴飞行超过70km寻找食物；相对其体形而言，撒哈拉沙漠蚂蚁从其巢穴出去觅食*远可达500m。它们能依靠计算步数、根据阳光的不同照射模式和气味线索，准确地找到回家的路径。这种能力对它们十分关键，因为暴露在阳光下时间过长，可能会因曝晒而丧命。
为什么生物会具有这些令人惊异的导航能力？人们对生物导航（bio-navigation）进行了长期的研究。大量实例表明，在生物体内有着尚不为人所知的复杂的导航机制。生物导航的方法包括几种。一是靠感觉器官综合分析识别路线。许多动物会综合运用多种导航手段，从空气、水流、温度变化、可视标记、气味等多种途径获得有关的环境导航信息，综合判断而不致迷路。例如：夜间迁徙的鸟类利用落日余晖判定西向，夜晚通过辨别星空进行导航；信鸽利用太阳作为罗盘确定自己飞往何处，依靠太阳每日的运行规律和体内的生物钟计算飞行距离。二是拥有头部独*的地磁感应罗盘。许多动物都拥有人类所没有的地磁感应系统，动物体内的地球磁场感应系统其实只是动物体内庞大、复杂导航系统中的一部分。研究发现，诸如海龟、鲸、某些鸟类、某些鱼类和鼹鼠等动物的头部都有含有磁性物质的特殊细胞，这些磁性物质受磁场的影响会按磁力线的方向排列，并将排列信息传到大脑进行分析和处理，发出控制动物行进方向的指令。三是动物具有可视化地球磁场的视觉感应能力。除依靠磁性细胞感应地磁场外，某些鸟类还能用特有的X线视觉系统将磁场可视化。一些鸟类的眼中含有能检测磁场的光感接收器，也许在它们眼中，南方和北方会呈现出不同的色彩。四是通过敏感光的偏振实现定位测向。天空中任一点偏振光的方向都垂直于由太阳、观察者与这一点所组成的平面。因此，根据天空偏振光的图形，就可以确定太阳的位置。蜜蜂的复眼对偏振光很敏感，能够测出天空中不同方位的亮度，具有特殊的定向功能，即使是乌云蔽日，也能根据太阳的方位变化，进行时间校正。蜣螂等许多夜行动物则能够利用月光来进行导航和定位。综上所述，生物既能够靠山脉、河流、海岸或其他一些可见的路标识别路线，也能够采用嗅觉、磁场和星光等多种方法判断方位。
事实上，导航能力是生物的基本生存能力之一，没有导航能力的生物难以生存。这可以帮助人们比较直观地理解导航能力的重要性。另外，不断深入地研究并揭示生物导航的内在机制，可以帮助人们研究与改进新的导航技术，如偏振光天文罗盘的发明就是从蜜蜂等动物利用偏振光定向的本领中得到启发的[2]。特别是人工智能技术不断发展的今天，生物导航研究的重要性更加凸显，所以它成为导航技术研究的热点。
二、古代导航技术
现代人类是七万年前智人进化而来的，作为高等生物的人类，导航技术是一种基本需求。探索人类导航的历史可以追溯到早期人类历史，世界各古老文明都有导航技术的记载。在此主要对中西方古代导航技术的发展及其对人类历史发展的影响进行简单介绍。
（一）中国古代导航技术
我国对导航技术的研究有着悠久的历史。史书记载，我国*早的导航器械是4000多年前的指南车（southward pointingcart），如图1-1所示。从今天的技术角度来看，指南车是一种方位精度保持的导航装置，也是中国古代机械的代表性发明之一。相传它由黄帝发明，黄帝与蚩尤在涿鹿作战时遭遇大雾，正是采用指南车辨别方向，才得以重创蚩尤。从这个传说中可以看到，作为导航器械的指南车在发明之初，就与军事应用密切相连。实际上，这也反映出导航技术的内在军事属性[3]。
4000多年前的夏朝，我国先民就已经懂得利用天然目标指引航行的地文导航，驶抵预定地点。《尚书 夏书 禹贡》篇记载：“ 岛夷皮服，夹右碣石入于河。”这指的便是夏朝辽东一带少数民族泛舟渤海，将碣石山置于右方通过，进入黄河口到中原都城去敬献贡物。史料记载，公元前4世纪时，我们的祖先就已经能够在所有周边邻海自由航行。
我国关于指南针（compass）的记载*初见于春秋战国时期。大约在公元前1世纪，中国巫师用一个北斗七星形状的磁铁矿做成的勺子，置于光滑的铜天盘上指示北极，称为司南，如图1-2所示。至少在1500年前，指南针已用于航海，使人们能够远离海岸涉足大洋。北宋时期的沈括在《梦溪笔谈》中首次描述了磁偏角的发现。到约公元1090年，中国的领航员，已采用漂在水上的指南针在阴天指示方向。宣和年间已有记载“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”。宋元两代，我国航海事业已十分发达，海上交通极其繁荣。后来指南针传到了阿拉伯和欧洲，对人类有巨大贡献。所以，李约瑟将中世纪中国人发明的磁罗盘称为伟大发明[4]。
我国是世界上天文学发展*早的国家之一。我国古代很早就认识了北极星，也称为北辰，并用以辨别方向。早在2000多年前，就有船舶载运各种货物漂洋过海，与东南亚等国进行贸易。当时航渡海洋已使用了天文方法。东晋僧人法显在访问印度乘船回国时曾记述：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进。”到宋代，天文方法导航又有了进一步的发展。不过，如果在海上航行只知道南、北方向，而不知道具体位置，仍会迷失航向，难以顺利抵达目的地。元明时期天文定位技术有很大发展。随着航海事业的发展，我国采用了一种称为“牵星术”的天文航海导航技术，利用牵星板测定船舶在海中的方位。它可以根据牵星板测定的垂向高度和牵绳的长度，换算北极星高度角，近似确定当地地理纬度。
早在公元13世纪初，我国已有*早的南海诸岛海图（chart）。但流传至今的*早海图是公元1430年明朝郑和的航海图。中国明代著名航海家郑和率船队七下西洋，其采用的航海技术以海洋科学知识和海图为依据，运用了航海罗盘、计程仪、测深仪等航海仪器，按照海图、针经图（图1-3）记载来保证船舶的航行路线，是当时*先进的航海导航技术。根据记载，郑和船队已越过赤道，前后共经过、到达30多个国家和地区。白天用24/48方位指南针导航，夜间则用天文导航的牵星术观看星斗，并用与水罗盘相结合的方法进行测向。这些综合应用的航海技术使中国古代航海技术领先世界。
（二）西方古近代导航技术
西方古代导航技术的记载*早可以追溯到公元前的腓尼基、希腊时期。他们很早就掌握了通过观测北极星高度角在地中海实现东西等纬度航行的方法。古代的欧洲航海者曾经将“风向”认作“方向”。早期的北欧海盗在欧洲北部的北海和波罗的海水域航行时，更多地利用地文导航。当时的船长十分熟悉海面和海中自然物，也会借助如鸟类、鱼类、水流、浮木、海草、水色、冰原反光、云层、风势等各类信息进行导航。公元9世纪时，北欧著名航海家弗勒基（Fletcher），甚至通过在船上放出一头渡鸦来引导抵达冰岛。
海图与航海密切相关。古埃及、古希腊和阿拉伯人都对海图的发展做出了贡献，提出了一些基本理论和绘制方法，并绘制了相应的早期海图，其中著名的代表人物是古希腊的克罗狄斯 托勒密（Claudius Ptolemaeus），他在1800多年前天文测量和大地测量的研究基础上，发表了重要著作《地理学指南》。他采用喜帕恰斯（Hipparchus）所建立的纬度和经度网，把圆周分为360等份，每个地点都注明经纬度坐标，并列有欧、亚、非三大洲8100处地点位置的一览表，他所绘制的27幅世界地图和26幅局部区域图统称为《托勒密地图》。公元13世纪，随着波特兰海图（Portolan chart）的出现，海图从地图中分离出来，形成了地图的一个重要分支。波特兰海图将海洋作为主要表示对象，而对陆地只表示沿海狭长地区，所有对航海有作用的地物都显著标示，港湾图上保持着目标的正确相互位置和方位，海岸和岛屿轮廓类似于那些相应比例尺的现代海图，在符号和色彩的设计与应用上，也具有开创性意义。公元15～16世纪，文艺复兴运动催生了地理大发现，为满足航海探险事业的需要，频繁的航海活动要求航海图包含更多内容，覆盖更广区域，具有更高精度，更便于航海使用，墨卡托海图（Mercator chart）的产生是海图学史上继波特兰海图之后的又一个里程碑，并且一直沿用至今。
地磁导航方面，阿拉伯帝国在其鼎盛时代从中国唐朝学会使用指南针，极大地刺激了阿拉伯航海业的巨大发展。公元12世纪，磁针由阿拉伯传入欧洲。公元1190年，意大利领航员已开始用一碗水漂起铁针，用磁铁矿或天然磁石使铁针磁化，根据铁针偏转的方向来辨别方向。到约公元1250年，在此基础上磁针已发展成为航海磁罗盘（magnetic compass）。公元14世纪初，意大利人乔亚（Joya）用纸做成方向刻度盘与磁针连接在一起转动，这是磁罗经发展过程的一次飞跃。公元16世纪，意大利人卡尔登（Carldan）设计了平衡环，这一框架结构早在汉朝时期已被中国人发明使用，但卡尔登将其用于控制磁罗经在船舶摇晃中保持水平。随后欧洲人将原始的指南针改制成简单的船用罗经，并绘制出地中海地图。航海磁罗盘被普遍应用到航海事业上。公元18世纪，蒸汽机发明，船舶上大量使用钢铁，所产生的强烈磁场使传统指南针出现了巨大且有规律的误差。这一问题的产生引起了法国科学家泊松（
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