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)不清就很可能會把你引向歧途。我的方向感不好，在很長一段時(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）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。”我問道：“說是領(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?！?/p>

1957年夏季，帕金森剛從美國海軍學(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。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試廣義相對論?！?/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)磁場來調(diào)整轉(zhuǎn)子的位置，使其能夠沿著期望軸旋轉(zhuǎn)，不會改變在太空中的總體位置。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，美國海軍開始測試“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)，他在田間會發(fā)現(xiàn)GPS導(dǎo)航下的自動拖拉機(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，宣稱這種定位系統(tǒng)將會更加準(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)成的共識是該計(jì)劃將毫無結(jié)果，肯定會走進(jìn)死胡同?！?/p>

帕金森回憶道：“然而，是一位三星級將軍提出讓他接管該計(jì)劃的，通常一個(gè)人對將軍不能說不行?！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④娬f不，也許這位將軍會感到不習(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)心的是帕金森會對衛(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)航的競爭技術(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防系統(tǒng)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(jìn)行了投票表決?！钡?，投票表決的結(jié)果是“未通過”。

時(shí)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(dāng)時(shí)，柯里在洛杉磯地區(qū)的家鄉(xiāng)附近進(jìn)行了長時(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)對柯里進(jìn)行了一對一輔導(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，我們將會批準(zhǔn)這個(gè)計(jì)劃的。”事實(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頁紙上?！?/p>

帕金森回憶說，后來被人們稱之為“寂寞廳堂”的會議導(dǎo)致了好幾個(gè)關(guān)鍵的變化：該系統(tǒng)的“碼分多址”（CDMA）無線電信號被修改為既包括受保護(hù)的軍用信號，也包括民用信號；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(jìn)每一部手機(jī)中?！?/p>

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——超級準(zhǔn)確性和可購性。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次會議。對此，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，國防委員會批準(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“重力探測器B”項(xiàng)目。2004年，該探測器發(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——自動拖拉機(jī)。有一段時(shí)間，他一直將自動拖拉機(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這項(xiàng)技術(shù)的機(jī)會。

在斯坦福大學(xué)，他會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。”這位迪爾公司的代表持有懷疑態(tài)度，他認(rèn)為農(nóng)民們不會購買這樣一個(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大型拖拉機(jī)。”一個(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，他經(jīng)常在田野里漫步，令他感到喜悅的是有時(shí)他會發(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?！?/p>

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)铮褂肎PS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)，他就會感到非常興奮?！?/p>

一旦帕金森感到GPS受到威脅時(shí)，他也會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空通信保留的，利用有限的信號發(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，美國聯(lián)邦通信委員會考慮對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，稱這樣不會干擾GPS。

該建議被提交到了美國聯(lián)邦通信委員會的面前。帕金森說，交通運(yùn)輸部的測試表明，Ligado網(wǎng)絡(luò)公司系統(tǒng)會產(chǎn)生廣泛的干擾，特別是對于絕大多數(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)行競爭。全國已經(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，對我來說是很危險(xiǎn)的?！?/p>

資料來源 IEEE Spectrum