GPS之父：布拉德福德·帕金森

編譯 胡德良

布拉德福德·帕金森指導了第一個GPS的發射，并推動了民用衛星的早期應用，他因此獲得了2018年度IEEE榮譽獎章。

當我開車經過加州圣路易斯奧比斯波的葡萄園山丘時，手機中的小型全球定位系統（GPS）接收器與谷歌地圖協同工作，提醒我前面就該轉彎了。該應用程序使我確信：盡管由于施工會造成短暫的延誤，我仍將準時到達目的地。

在GPS出現之前的年代，這段路程行駛起來有多么艱難是可想而知的，一個十字路口的路標不清就很可能會把你引向歧途。我的方向感不好，在很長一段時間里，迷路或擔心迷路是我在生活中感到最壓抑的事情。

這次GPS導航的旅程把我帶到布拉德福德·帕金森（Bradford W. Parkinson）的面前。帕金森本人就是創建GPS技術的人，而我們現在卻認為GPS這個工具是理所當然的。由于帕金森研發了GPS技術，并推動了該技術的早期應用，他榮獲了2018年度IEEE（電氣與電子工程師協會）榮譽獎章。

我們見面片刻之后，他說：“不要說我是GPS的發明者，我是主要的倡導者，是首席設計師和研發者，但不是發明者。”我問道：“說是領導者，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！”

帕金森對自己的貢獻可能保持了謙虛的態度，但是很難否認他就是將利用衛星進行導航這個“不切實際”的幻想變成現實的人。

帕金森為GPS所做的準備開始于很久以前對地圖的酷愛。童年時，帕金森臥室的墻壁上貼著明尼蘇達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木舟去探險的湖泊和溪流。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，帕金森剛從美國海軍學院畢業，他就得到了一份工作——為一個大型建筑項目當測量員。

帕金森接受的研究生教育又為他奠定了研究基礎。當時他希望加入空軍而不是海軍，因此1960年美國空軍將他送入麻省理工學院，他在那里學習了幾門慣性導航課程。當時師從查爾斯·斯塔克·德雷珀（Charles Stark Draper），這是一次不容錯過的機會。這些課程的學習使帕金森在霍洛曼空軍基地謀得一個職位，他當了三年慣性導航系統測試領域的首席分析師。

1964年，帕金森前往斯坦福大學攻讀博士學位，他的導師是本杰明·蘭格（Benjamin Lange）。他說：“本杰明想把一個自由轉子陀螺儀放在軌道上來測試廣義相對論。”

帕金森發明了一種傳感器，這種傳感器能夠感應轉子相對于期望軸的位置。帕金森利用一種他稱之為“半球施矩”的算法，通過施加一個磁場來調整轉子的位置，使其能夠沿著期望軸旋轉，不會改變在太空中的總體位置。時至今日，帕金森的技術仍然應用在一些高精度慣性導航系統中。

帕金森對導航和空間系統的了解越來越深刻，同時其他研究人員也正在萌發GPS相關的念頭。1960年，美國海軍開始測試“導航衛星”方案，該方案是一種基于衛星的方法，用于更新潛艇使用的慣性導航系統。“導航衛星”系統的運行僅僅依靠4顆低空越極軌道衛星。這些衛星跟地面站網絡一起工作，能夠每天為緩慢行駛的船只確定幾次經度和緯度，存在大約100米的誤差。

在加州家鄉附近的農田中，帕金森凝視著一個GPS IIF衛星的模型。有時，他在田間會發現GPS導航下的自動拖拉機

航空航天公司總裁伊凡·格廷（Ivan Getting）認為這個系統還不夠好。1962年，他開始了三維衛星定位系統的宣傳活動，宣稱這種定位系統將會更加準確，而且隨時可用。幾年前，格廷告訴我，他把這一愿景推薦給武裝部隊的首腦（也是總統科學顧問）以及他認為可能具有影響力的任何人，試圖讓這個艱難的項目得到資助。

格廷的努力得到了空軍的資助，這是一項基于空間的導航研究，最終的研究報告由詹姆士·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項技術，也包含最終成為GPS的技術。

1972年，帕金森的研究路徑跟衛星導航技術的發展產生了交叉。此前的幾年中，帕金森一直在羅得島州新港市的海戰學院做研究，他想什么時候駕船航行都可以。下一步，可能就是來自五角大樓的任務了。當時他接到了一位上校的電話，這位上校是被稱為“空軍慣性導航黑手黨”組織的成員。帕金森解釋說：“這個組織不是什么涉黑組織，只是上過麻省理工學院慣性導航課程的人們相互之間的一種聯系。”上校提出建議：如果帕金森想要建立導航系統，而不是僅僅分析導航系統，那么他就應該加入洛杉磯的“高級彈道再入系統”（ABRES）計劃。

當時，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待了三個月多一點，研究高端鼻錐技術以及其他導彈技術。也正是在這個階段，他被當作最合適的人選接管了一個被稱為“621B”的衛星導航計劃。帕金森的資格符合要求，但是他不想干這份工作。帕金森說：“當時達成的共識是該計劃將毫無結果，肯定會走進死胡同。”

帕金森回憶道：“然而，是一位三星級將軍提出讓他接管該計劃的，通常一個人對將軍不能說不行。”當時，該項目處于深度的困境之中。帕金森說，如果他能夠被任命為項目經理，他就會接受這份工作。如果職位再低一點，他就徑直走人，也就不管理這個項目了。然而將軍拒絕了他，他也對將軍說：“那我就不情愿做這個項目了。”剛剛提拔上來的上校對將軍說不，也許這位將軍會感到不習慣。但當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”計劃。

“621B”計劃的目標是創建一個基于衛星的、幾乎在世界上任何地方都能夠運行的導航系統。研究小組已經制定了大部分計劃，他們想利用4顆衛星對該計劃進行展示——這可不是一項省錢的計劃。帕金森開始跟他的工程師們一起翻閱每一項提案。

從航空航天公司派來研究這個項目的工程師沃爾特·梅爾頓（Walter Melton）說：“他剛剛到來時，我們有些擔心，我們聽說他來自慣性導航黑手黨。”工程師們擔心的是帕金森會對衛星導航持有偏見，因為衛星導航被認為是慣性導航的競爭技術。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技術的，而且是該技術的支持者。”

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

時任國防研究與工程部的副部長馬爾科姆·柯里（Malcolm Currie）主持了那次會議。當時，柯里在洛杉磯地區的家鄉附近進行了長時間逗留，他準備舉家搬遷到華盛頓哥倫比亞特區。有一次，柯里回到了洛杉磯，帕金森將有關衛星導航的技術對柯里進行了一對一輔導，花了幾乎整個一下午的時間。現在，帕金森認為，在投票表決沒有通過之后，衛星導航仍未被卡死，就是那天下午的輔導起了作用。

在口述這段歷史的時候，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合計劃……回去將其重組為一項聯合計劃，然后盡快地拿給我，我可以非常肯定地說，我們將會批準這個計劃的。”事實上，那次輔導使柯里成為衛星導航的同盟，他很快提醒帕金森：他所介紹的這個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節的那個周末加班工作，為衛星導航系統開發出一套新的總體結構。他們聚集在五角大樓，而沒有聚集在洛杉磯，因為跟這個計劃相關的太多人都還固守著老觀念。帕金森說：“由于是勞動節的假期，我們聚集在空閑的辦公室里設計出了我們想要做的事情，并將其總結在7頁紙上。”

帕金森回憶說，后來被人們稱之為“寂寞廳堂”的會議導致了好幾個關鍵的變化：該系統的“碼分多址”（CDMA）無線電信號被修改為既包括受保護的軍用信號，也包括民用信號；考慮到現有運載火箭的射程，調整了衛星軌道以減少在最佳高度上所需衛星的數量；設計采用了原子鐘，這樣將不再需要地面接收器保持精確的時間。

20世紀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）和美國海軍的比爾·休斯頓（Bill Huston，右）正在討論GPS衛星導航技術

帕金森說，這第三個變化是最具冒險性的，因為當時能夠對付太空輻射的原子鐘還不存在。但是，他知道海軍研究實驗室的羅杰·伊斯頓（Roger Easton）正在研發一種符合太空標準的原子鐘，這是美國海軍“時間導航”衛星計劃的一個環節。帕金森確信，這種原子鐘的某種類型將能夠應用在演示衛星上。

對于消費者今天使用的既便宜又小巧的GPS接收器來說，這個決定是至關重要的。帕金森說：“相反，如果我們大家都不得不攜帶超級精準的時鐘，那么接收器的價格就要昂貴多了，而且還會像一摞字典那么大。此外，接收器還需要實現時間同步，以保持準確性。當然，那樣的接收器不會變成一套微型的電子器件，不會便宜到1美元以下，也不可能塞進每一部手機中。”

帕金森特別希望消費者使用這個新系統。在他看來，這項工程始終擔負著雙重使命——超級準確性和可購性。他甚至在洛杉磯的各個項目辦公室門口掛上一塊木牌，強調這樣一條信息：該辦公室的任務是將五枚炸彈扔進同一個洞內以及創造一種便宜的導航設備——大家要切記！

在“寂寞廳堂”會議之后，帕金森花了幾個月的時間向五角大樓的工作人員和決策者推薦這個提案。他頻繁地飛往華盛頓，每周達兩次，兩個月之內舉行了60次會議。對此，他仍然保留著一份清單。

帕金森堅定地說：“的確，這種信號足夠強大，在周圍嘈雜的環境中能夠被發現；無疑，該系統10米的精確度是能夠實現的；沒錯，1.8億美元能夠包括4顆衛星和相關地面設備的費用。”（最終的費用大約為2.5億美元，但是該費用還包括了兩顆額外衛星的花費，不算超額太多。）

在“621B”計劃中，帕金森的同事梅爾頓說：“他很像個推銷員。”

1973年12月，國防委員會批準了該提案。帕金森領導實施了為期三年半的“621B”計劃，終于第一顆GPS衛星發射升空了，而且初步測試證實該系統能夠按設計的那樣運行。

GPS衛星首次發射的時候，伊斯頓的原子鐘并沒有準備就緒。但是，羅克韋爾國際公司的工程師也在研究適合用在太空的原子鐘，而且已經準備就緒。然而，帕金森仍然贊揚了伊斯頓。他說：“伊斯頓使我相信我們能夠做到這一點，這是非常重要的。”

包含24顆衛星的完整系統是于1995年投入使用的。俄羅斯的全球衛星導航系統（GLONASS）是蘇聯時代開始的一項類似的工程，也是于1995年竣工的。歐盟的伽利略系統和中國的北斗衛星導航系統可望于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，他在企業擔任了幾個職位（包括羅克韋爾國際空間系統集團副總裁和Intermetrics公司副總裁）。之后，他于1984年返回斯坦福大學，這次不是學習，而是擔任航空航天學教授。他作為項目經理和主要研究人員立即重新加入了軌道陀螺儀項目，現在稱之為“重力探測器B”項目。2004年，該探測器發射成功。

帕金森還主持了一項旨在開發GPS民用技術的研究，這項研究工作的成果包括一艘機器人帆船、GPS導航下的首次商用飛機著陸和一個地面站系統。這個地面站系統通過監測和校正衛星數據來提高GPS定位的精度，后來發展成為美國聯邦航空管理局的廣域增強系統，該系統利用地面站的數據，通過糾正由于軌道漂移和通過大氣時的延遲等引起的信號誤差來提高GPS的精度。

帕金森的研究小組還開發了到今天他仍然鐘愛的一項應用——自動拖拉機。有一段時間，他一直將自動拖拉機保持在自己的視野里；早在1978年的談話中，他就把這項應用列為未來GPS應用的一部分，但是，直到20世紀90年代，帕金森才獲得了推動這項技術的機會。

在斯坦福大學，他會見了一位迪爾公司的代表，這位代表的任務是在公司和大學之間建立聯系。帕金森為他展示了一輛GPS導引下的自駕駛高爾夫球車，他告訴這位來訪者：“考慮一下拖拉機的情況。”這位迪爾公司的代表持有懷疑態度，他認為農民們不會購買這樣一個系統。但是，該公司渴望跟斯坦福大學合作，于是同意資助一個開發項目。

帕金森說：“他們給我們匯來了90萬美元資金和兩臺大型拖拉機。”一個由學生組成的研究小組花了幾年時間開發了這項技術，于1997年首次展示了一個具有完善功能的系統。

自從那時候起，帕金森看到GPS導航下的精確農耕作業一直都是心滿意足的。帕金森的家鄉有著一片農場，他經常在田野里漫步，令他感到喜悅的是有時他會發現GPS導航的正在作業的拖拉機。他說：“這些拖拉機節省了化肥和時間，節省的費用足以支付拖拉機本身的費用。”

佩尼娜·阿克塞拉德（Penina Axelrad）是帕金森以前的一位博士生，現在是科羅拉多大學教授。她說：“我認為他喜歡GPS在農業上的應用，因為這清楚地說明了GPS就是為大家設計的。當然，現在GPS就在每個人的智能手機中，但在農業上的應用是人人都會重視的早期應用。”

盡管帕金森在斯坦福大學仍然擁有研究項目，但是從很大程度上來說，他現在已經退休。

帕金森仍然是GPS最鐵桿的粉絲之一——在他的房子和汽車里，使用GPS的設備就有十幾個，包括他醒著的時候大部分時間都戴在手腕的那塊手表。阿克塞拉德說：“當看到GPS所帶來的美妙功能時，他就會感到非常興奮。”

一旦帕金森感到GPS受到威脅時，他也會很快拋頭露面來提供保護。目前，他發現了來自Ligado網絡公司的嚴重威脅，該公司的目標是利用1525兆赫到1559兆赫的頻段來創建寬帶無線網絡。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星通信保留的其他頻段。Ligado網絡公司的頻段是為地對空通信保留的，利用有限的信號發射塔就能幫助用戶連接到網絡。然而，在2011年的時候，美國聯邦通信委員會考慮對Ligado網絡公司的前身——光平方公司（LightSquared）實施有條件放權，允許該公司使用這一頻段進行無限制的地面通信。GPS業界表示抗議，出示了干擾數據，2012年這家公司的使用權被收回。但是，最近Ligado網絡公司又提出一個創建低功耗系統的建議，稱這樣不會干擾GPS。

該建議被提交到了美國聯邦通信委員會的面前。帕金森說，交通運輸部的測試表明，Ligado網絡公司系統會產生廣泛的干擾，特別是對于絕大多數精確的設備來講，更是如此。帕金森在撰寫一篇社論，他要提醒公眾這個建議是具有危險性的。他寫道：Ligado網絡公司的目標是改變從空間到地面大功率發射機的安靜信號的標示。很明顯，他們想利用這種方式來跟現有的寬帶公司進行競爭。全國已經有至少4家寬帶提供商了，而GPS只有一個。帕金森說：“破壞了GPS，對我來說是很危險的。”

資料來源 IEEE Spectrum