GPS之父：布拉德福德·帕金森

发布时间：18年10月08日

编译胡德良

布拉德福德·帕金森指导了第一个GPS的发射，并推动了民用卫星的早期应用，他因此获得了2018年度IEEE荣誉奖章。

　　当我开车经过加州圣路易斯奥比斯波的葡萄园山丘时，手机中的小型全球定位系统（GPS）接收器与谷歌地图协同工作，提醒我前面就该转弯了。该应用程序使我确信：尽管由于施工会造成短暂的延误，我仍将准时到达目的地。

　　在GPS出现之前的年代，这段路程行驶起来有多么艰难是可想而知的，一个十字路口的路标不清就很可能会把你引向歧途。我的方向感不好，在很长一段时间里，迷路或担心迷路是我在生活中感到最压抑的事情。

　　这次GPS导航的旅程把我带到布拉德福德·帕金森（Bradford W.Parkinson）的面前。帕金森本人就是创建GPS技术的人，而我们现在却认为GPS这个工具是理所当然的。由于帕金森研发了GPS技术，并推动了该技术的早期应用，他荣获了2018年度IEEE（电气与电子工程师协会）荣誉奖章。

　　我们见面片刻之后，他说：“不要说我是GPS的发明者，我是主要的倡导者，是首席设计师和研发者，但不是发明者。”我问道：“说是领导者，怎么样？”他回答道：“即使那么说也是夸张的――我身边的人全都是不甘心失败的！”

　　帕金森对自己的贡献可能保持了谦虚的态度，但是很难否认他就是将利用卫星进行导航这个“不切实际”的幻想变成现实的人。

　　帕金森为GPS所做的准备开始于很久以前对地图的酷爱。童年时，帕金森卧室的墙壁上贴着明尼苏达州北部边界水域的大型地图，地图上显示的是他喜欢乘坐独木舟去探险的湖泊和溪流。他回忆道：“那是容易迷失方向的水域，你必须要保持头脑清醒。”

　　1957年夏季，帕金森刚从美国海军学院毕业，他就得到了一份工作――为一个大型建筑项目当测量员。

　　帕金森接受的研究生教育又为他奠定了研究基础。当时他希望加入空军而不是海军，因此1960年美国空军将他送入麻省理工学院，他在那里学习了几门惯性导航课程。当时师从查尔斯·斯塔克·德雷珀（Charles Stark Draper），这是一次不容错过的机会。这些课程的学习使帕金森在霍洛曼空军基地谋得一个职位，他当了三年惯性导航系统测试领域的首席分析师。

　　1964年，帕金森前往斯坦福大学攻读博士学位，他的导师是本杰明·兰格（Benjamin Lange）。他说：“本杰明想把一个自由转子陀螺仪放在轨道上来测试广义相对论。”

　　帕金森发明了一种传感器，这种传感器能够感应转子相对于期望轴的位置。帕金森利用一种他称之为“半球施矩”的算法，通过施加一个磁场来调整转子的位置，使其能够沿着期望轴旋转，不会改变在太空中的总体位置。时至今日，帕金森的技术仍然应用在一些高精度惯性导航系统中。

　　帕金森对导航和空间系统的了解越来越深刻，同时其他研究人员也正在萌发GPS相关的念头。1960年，美国海军开始测试“导航卫星”方案，该方案是一种基于卫星的方法，用于更新潜艇使用的惯性导航系统。“导航卫星”系统的运行仅仅依靠4颗低空越极轨道卫星。这些卫星跟地面站网络一起工作，能够每天为缓慢行驶的船只确定几次经度和纬度，存在大约100米的误差。

　　航空航天公司总裁伊凡·格廷（Ivan Getting）认为这个系统还不够好。1962年，他开始了三维卫星定位系统的宣传活动，宣称这种定位系统将会更加准确，而且随时可用。几年前，格廷告诉我，他把这一愿景推荐给武装部队的首脑（也是总统科学顾问）以及他认为可能具有影响力的任何人，试图让这个艰难的项目得到资助。

在加州家乡附近的农田中，帕金森凝视着一个GPS IIF卫星的模型。有时，他在田间会发现GPS导航下的自动拖拉机

　　格廷的努力得到了空军的资助，这是一项基于空间的导航研究，最终的研究报告由詹姆士·伍德福德（James Woodford）和中村拓志（HiroshiNakamura）撰写，于1966年签章生效，但是从此以后到1979年一直处于保密阶段。其中包含了12项技术，也包含最终成为GPS的技术。

　　1972年，帕金森的研究路径跟卫星导航技术的发展产生了交叉。此前的几年中，帕金森一直在罗得岛州新港市的海战学院做研究，他想什么时候驾船航行都可以。下一步，可能就是来自五角大楼的任务了。当时他接到了一位上校的电话，这位上校是被称为“空军惯性导航黑手党”组织的成员。帕金森解释说：“这个组织不是什么涉黑组织，只是上过麻省理工学院惯性导航课程的人们相互之间的一种联系。”上校提出建议：如果帕金森想要建立导航系统，而不是仅仅分析导航系统，那么他就应该加入洛杉矶的“高级弹道再入系统”（ABRES）计划。

　　当时，帕金森本人也刚刚晋升为上校，他听取了这位上校的建议，搬到了洛杉矶。他在ABRES待了三个月多一点，研究高端鼻锥技术以及其他导弹技术。也正是在这个阶段，他被当作最合适的人选接管了一个被称为“621B”的卫星导航计划。帕金森的资格符合要求，但是他不想干这份工作。帕金森说：“当时达成的共识是该计划将毫无结果，肯定会走进死胡同。”

　　帕金森回忆道：“然而，是一位三星级将军提出让他接管该计划的，通常一个人对将军不能说不行。”当时，该项目处于深度的困境之中。帕金森说，如果他能够被任命为项目经理，他就会接受这份工作。如果职位再低一点，他就径直走人，也就不管理这个项目了。然而将军拒绝了他，他也对将军说：“那我就不情愿做这个项目了。”刚刚提拔上来的上校对将军说不，也许这位将军会感到不习惯。但当他刚走出将军的办公室门口，将军又将他叫了回来。他得到了想要的职位，于1973年6月底接管了“621B”计划。

　　“621B”计划的目标是创建一个基于卫星的、几乎在世界上任何地方都能够运行的导航系统。研究小组已经制定了大部分计划，他们想利用4颗卫星对该计划进行展示――这可不是一项省钱的计划。帕金森开始跟他的工程师们一起翻阅每一项提案。

　　从航空航天公司派来研究这个项目的工程师沃尔特·梅尔顿（Walter Melton）说：“他刚刚到来时，我们有些担心，我们听说他来自惯性导航黑手党。”工程师们担心的是帕金森会对卫星导航持有偏见，因为卫星导航被认为是惯性导航的竞争技术。梅尔顿说：“但是，最初几周过去之后，我们明白了他是理解这项技术的，而且是该技术的支持者。”

　　1973年8月，帕金森向五角大楼国防系统收购审查委员会提交了该提案。他回忆道：“我把我要努力做的事情告诉了会议桌周围所有的将军们和资深的民众代表们，然后他们进行了投票表决。”但是，投票表决的结果是“未通过”。

　　时任国防研究与工程部的副部长马尔科姆·柯里（MalcolmCurrie）主持了那次会议。当时，柯里在洛杉矶地区的家乡附近进行了长时间逗留，他准备举家搬迁到华盛顿哥伦比亚特区。有一次，柯里回到了洛杉矶，帕金森将有关卫星导航的技术对柯里进行了一对一辅导，花了几乎整个一下午的时间。现在，帕金森认为，在投票表决没有通过之后，卫星导航仍未被卡死，就是那天下午的辅导起了作用。

　　在口述这段历史的时候，帕金森说柯里告诉他：“听着，你做得非常非常好，但是你我都知道这不是真正意义上的联合计划……回去将其重组为一项联合计划，然后尽快地拿给我，我可以非常肯定地说，我们将会批准这个计划的。”事实上，那次辅导使柯里成为卫星导航的同盟，他很快提醒帕金森：他所介绍的这个概念不是帕金森本人提出的，他沿用了别人的概念。

20世纪70年代中期，帕金森（中）跟航空航天公司的弗兰克·巴特菲尔德（Frank Butterfield，左）和美国海军的比尔·休斯顿（Bill Huston，右）正在讨论GPS卫星导航技术

　　帕金森和他的工程师在劳动节的那个周末加班工作，为卫星导航系统开发出一套新的总体结构。他们聚集在五角大楼，而没有聚集在洛杉矶，因为跟这个计划相关的太多人都还固守着老观念。帕金森说：“由于是劳动节的假期，我们聚集在空闲的办公室里设计出了我们想要做的事情，并将其总结在7页纸上。”

　　帕金森回忆说，后来被人们称之为“寂寞厅堂”的会议导致了好几个关键的变化：该系统的“码分多址”（CDMA）无线电信号被修改为既包括受保护的军用信号，也包括民用信号；考虑到现有运载火箭的射程，调整了卫星轨道以减少在最佳高度上所需卫星的数量；设计采用了原子钟，这样将不再需要地面接收器保持精确的时间。

　　帕金森说，这第三个变化是最具冒险性的，因为当时能够对付太空辐射的原子钟还不存在。但是，他知道海军研究实验室的罗杰·伊斯顿（Roger Easton）正在研发一种符合太空标准的原子钟，这是美国海军“时间导航”卫星计划的一个环节。帕金森确信，这种原子钟的某种类型将能够应用在演示卫星上。

　　对于消费者今天使用的既便宜又小巧的GPS接收器来说，这个决定是至关重要的。帕金森说：“相反，如果我们大家都不得不携带超级精准的时钟，那么接收器的价格就要昂贵多了，而且还会像一摞字典那么大。此外，接收器还需要实现时间同步，以保持准确性。当然，那样的接收器不会变成一套微型的电子器件，不会便宜到1美元以下，也不可能塞进每一部手机中。”

　　帕金森特别希望消费者使用这个新系统。在他看来，这项工程始终担负着双重使命――超级准确性和可购性。他甚至在洛杉矶的各个项目办公室门口挂上一块木牌，强调这样一条信息：该办公室的任务是将五枚炸弹扔进同一个洞内以及创造一种便宜的导航设备――大家要切记！

　　在“寂寞厅堂”会议之后，帕金森花了几个月的时间向五角大楼的工作人员和决策者推荐这个提案。他频繁地飞往华盛顿，每周达两次，两个月之内举行了60次会议。对此，他仍然保留着一份清单。

　　帕金森坚定地说：“的确，这种信号足够强大，在周围嘈杂的环境中能够被发现；无疑，该系统10米的精确度是能够实现的；没错，1.8亿美元能够包括4颗卫星和相关地面设备的费用。”（最终的费用大约为2.5亿美元，但是该费用还包括了两颗额外卫星的花费，不算超额太多。）

　　在“621B”计划中，帕金森的同事梅尔顿说：“他很像个推销员。”

　　1973年12月，国防委员会批准了该提案。帕金森领导实施了为期三年半的“621B”计划，终于第一颗GPS卫星发射升空了，而且初步测试证实该系统能够按设计的那样运行。

　　GPS卫星首次发射的时候，伊斯顿的原子钟并没有准备就绪。但是，罗克韦尔国际公司的工程师也在研究适合用在太空的原子钟，而且已经准备就绪。然而，帕金森仍然赞扬了伊斯顿。他说：“伊斯顿使我相信我们能够做到这一点，这是非常重要的。”

　　包含24颗卫星的完整系统是于1995年投入使用的。俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS）是苏联时代开始的一项类似的工程，也是于1995年竣工的。欧盟的伽利略系统和中国的北斗卫星导航系统可望于2020年完成。

　　1978年，帕金森从空军退役，但他并没有将GPS抛到脑后，他在企业担任了几个职位（包括罗克韦尔国际空间系统集团副总裁和Intermetrics公司副总裁）。之后，他于1984年返回斯坦福大学，这次不是学习，而是担任航空航天学教授。他作为项目经理和主要研究人员立即重新加入了轨道陀螺仪项目，现在称之为“重力探测器B”项目。2004年，该探测器发射成功。

　　帕金森还主持了一项旨在开发GPS民用技术的研究，这项研究工作的成果包括一艘机器人帆船、GPS导航下的首次商用飞机着陆和一个地面站系统。这个地面站系统通过监测和校正卫星数据来提高GPS定位的精度，后来发展成为美国联邦航空管理局的广域增强系统，该系统利用地面站的数据，通过纠正由于轨道漂移和通过大气时的延迟等引起的信号误差来提高GPS的精度。

　　帕金森的研究小组还开发了到今天他仍然钟爱的一项应用――自动拖拉机。有一段时间，他一直将自动拖拉机保持在自己的视野里；早在1978年的谈话中，他就把这项应用列为未来GPS应用的一部分，但是，直到20世纪90年代，帕金森才获得了推动这项技术的机会。

　　在斯坦福大学，他会见了一位迪尔公司的代表，这位代表的任务是在公司和大学之间建立联系。帕金森为他展示了一辆GPS导引下的自驾驶高尔夫球车，他告诉这位来访者：“考虑一下拖拉机的情况。”这位迪尔公司的代表持有怀疑态度，他认为农民们不会购买这样一个系统。但是，该公司渴望跟斯坦福大学合作，于是同意资助一个开发项目。

　　帕金森说：“他们给我们汇来了90万美元资金和两台大型拖拉机。”一个由学生组成的研究小组花了几年时间开发了这项技术，于1997年首次展示了一个具有完善功能的系统。

　　自从那时候起，帕金森看到GPS导航下的精确农耕作业一直都是心满意足的。帕金森的家乡有着一片农场，他经常在田野里漫步，令他感到喜悦的是有时他会发现GPS导航的正在作业的拖拉机。他说：“这些拖拉机节省了化肥和时间，节省的费用足以支付拖拉机本身的费用。”

　　佩尼娜·阿克塞拉德（PeninaAxelrad）是帕金森以前的一位博士生，现在是科罗拉多大学教授。她说：“我认为他喜欢GPS在农业上的应用，因为这清楚地说明了GPS就是为大家设计的。当然，现在GPS就在每个人的智能手机中，但在农业上的应用是人人都会重视的早期应用。”

　　尽管帕金森在斯坦福大学仍然拥有研究项目，但是从很大程度上来说，他现在已经退休。

　　帕金森仍然是GPS最铁杆的粉丝之一――在他的房子和汽车里，使用GPS的设备就有十几个，包括他醒着的时候大部分时间都戴在手腕的那块手表。阿克塞拉德说：“当看到GPS所带来的美妙功能时，他就会感到非常兴奋。”

　　一旦帕金森感到GPS受到威胁时，他也会很快抛头露面来提供保护。目前，他发现了来自Ligado网络公司的严重威胁，该公司的目标是利用1525兆赫到1559兆赫的频段来创建宽带无线网络。这一频段跟GPS使用的频段（1164兆赫至1587兆赫）是相邻的，从根本上说属于为卫星通信保留的其他频段。Ligado网络公司的频段是为地对空通信保留的，利用有限的信号发射塔就能帮助用户连接到网络。然而，在2011年的时候，美国联邦通信委员会考虑对Ligado网络公司的前身――光平方公司（LightSquared）实施有条件放权，允许该公司使用这一频段进行无限制的地面通信。GPS业界表示抗议，出示了干扰数据，2012年这家公司的使用权被收回。但是，最近Ligado网络公司又提出一个创建低功耗系统的建议，称这样不会干扰GPS。

　　该建议被提交到了美国联邦通信委员会的面前。帕金森说，交通运输部的测试表明，Ligado网络公司系统会产生广泛的干扰，特别是对于绝大多数精确的设备来讲，更是如此。帕金森在撰写一篇社论，他要提醒公众这个建议是具有危险性的。他写道：Ligado网络公司的目标是改变从空间到地面大功率发射机的安静信号的标示。很明显，他们想利用这种方式来跟现有的宽带公司进行竞争。全国已经有至少4家宽带提供商了，而GPS只有一个。帕金森说：“破坏了GPS，对我来说是很危险的。”

资料来源 IEEE Spectrum

责任编辑田心

____________________

本文作者特克拉·佩里（Tekla S. Perry）是IEEE会员，拥有密歇根州立大学新闻学学士学位。她也是一名高级编辑，30多年来一直在报道硅谷，如电子游戏的早期发展、个人电脑行业、硅谷不可思议的创业热潮等，她还曾与许多科技先驱进行过深入访谈。

链接

布拉德福德·帕金森