布拉德•帕金森把GPS从概念变为必需品

我驾车经过加州圣路易斯奥比斯波被葡萄园覆盖的山丘时，手机中的微型全球定位系统（GPS）接收器和谷歌地图提醒我接下来该转弯了。尽管因道路施工造成了短暂延误，但这个应用程序仍能让我安心地准时到达目的地。

GPS出现之前的时代则完全不同，十字路口模糊的路标就可能让我走错路。我的方向感很差，迷路——或是担心迷路——很长时间以来都给我的生活带来了压力。

在这次GPS导航的旅程目的地，我将见到布拉德福德•W•帕金森（Bradford W. Parkinson），是他推动了GPS技术的开发，使其成为我们现在认为是理所当然的工具。2018年，帕金森因引领GPS开发和推进其早期应用而获得IEEE荣誉奖章。

“可不要说我是GPS的发明者。”他在我们见面后说，“我是首席倡导者、首席架构师，也是开发者，但我不是发明者。”

“领导者”怎么样？“这么说也过誉了。我只是让自己身处一群不会失败的人中间而已。”

说起他的贡献，布拉德•帕金森很谦虚，但很难否认，就是他将卫星导航从不切实际的幻想变为现实。

帕金森很早就开始为GPS工作做准备了，他热衷于看地图。帕金森儿时的卧室墙上就贴着明尼苏达北部边界水域的大型地图——他喜爱乘独木舟探索那里的湖泊与溪流。“很容易迷路，”他回忆道，“你得保持头脑清醒。”

1957年，他刚从美国海军学院毕业，暑期打工时，在一个大型建筑项目担任测量员。

研究生教育给他打下了另一项基础。1960年美国空军保送他进入麻省理工学院（他参加了空军而不是海军），他选修了几门惯性导航的课程，查尔斯•斯塔克•德雷帕（Charles Stark Draper）授课，这是个极好的的机会。通过课程学习，他获得了在霍洛曼空军基地的一个为期3年的惯性导航系统测试首席分析师的职位。

1964年，他前往斯坦福大学攻读博士学位。他的论文指导教师是本杰明•兰格（Benjamin Lange）。“本杰明想把一个自由转子陀螺仪放在轨道上，以测试广义相对论。”帕金森说道。

帕金森发明了能够确定转子相对于指定轴位置的传感器。他使用一种称为半球施矩的算法，可施加一个磁场使转子沿着指定轴旋转，而不改变转子整体在空间中的位置。帕金森的技术现今仍在某些高度精确的惯性导航系统中使用。

在帕金森积累导航与空间系统知识的同时，GPS正在他人的浇灌下萌芽。1960年，美国海军开始测试其子午仪项目，这是潜艇使用的一种基于卫星更新惯性导航系统的方法。子午仪系统仅需4颗极地低轨卫星（尽管星座通常包含更多的卫星）协同。结合地面站网络，卫星可以每天几次测定慢速移动船只的经纬度，精确度约为100米。

美国航空航天公司总裁伊凡•格廷（Ivan Getting）认为这还不够好。1962年，他开始为一项更精确并连续可用的三维卫星定位系统奔走。几年以前，格廷告诉我，他曾向总统科学顾问、军队首脑和他认为具有影响力的其他人推广这一愿景，试图“让这个该死的东西得到资助”。

格廷传道般的热情促成了空军赞助的天基导航研究。詹姆斯•伍德福德（James Woodford）和中村宏（Hiroshi Nakamura）撰写的最终报告发表于1966年，直到1979年才解密。它列出了12项主要技术，包括后来成为GPS的技术。

1972年，帕金森的研究和卫星导航的进展发生了冲突。前一年帕金森在位于罗德岛纽波特的海军战争学院学习，有时间就去航海。接下来他很有可能接到五角大楼的任务。

当时他接到了一位上校的电话，这位上校是一个被称为空军惯性导航秘密组织的成员。“这不是一个坏人的组织，”帕金森解释道，“只是那些通过了麻省理工学院惯性导航课程的人彼此关注而形成的组织。”上校建议，如果帕金森不是仅仅想分析系统，而是想构建系统，那他就应该加入位于洛杉矶的高级弹道再入系统（ABRES）。

刚刚晋升为上校的帕金森接受了建议，来到洛杉矶。他在ABRES从事先进的前椎体和其他导弹技术，干了3个多月后，就被认为是承担卫星导航项目621B的最佳人选。帕金森非常称职，但他不想接受这份工作。

“那项目公认无路可走，死定了。”他说。

帕金森回忆，那是一位三星将军提出的建议，一般来说，你不能对一位将军说不。帕金森说，如果他被任命为项目经理，他就接受这份工作。若低于这个职务，他将无法控制项目——“该项目会陷入困境。”

将军拒绝了。“那我就说，我不愿意。”帕金森回忆道，“他还不习惯新晋升的上校对他说‘不’。”

帕金森向办公室外走去，但还没有走出房门，将军就把他叫了回来。帕金森获得任命，在1973年年中接管了621B。

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621B项目旨在创建一个几乎在世界上任何地方都能工作的卫星导航系统。该团队已经制订了大部分计划，并希望使用4颗卫星进行演示——这是一个成本不低的方案。

帕金森开始与工程师们一道检查方案的每一个细节。

“他刚来的时候，我们有点担心。”从美国航空航天公司调到该项目的工程师沃尔特•梅尔顿（Walter Melton）回忆道，“我们听说他来自惯性导航组织。”工程师们担心帕金森会对卫星导航有偏见，因为卫星导航被认为是惯性导航的竞争对手。“但在几周后，他的态度变得明朗化，他对卫星导航表示理解与支持。”

1973年8月，帕金森向五角大楼国防系统并购审查委员会提交了方案。“我把我想要做的事告诉了围坐在桌旁的将军和参与的市民，然后他们进行投票。”他回忆道。投票结果是“否”。

当时主持会议的是时任国防研究与工程部副部长马尔科姆•柯里（Malcolm Currie）。当时，柯里经常在洛杉矶地区活动；他家就在那附近，他正准备举家搬到华盛顿特区。在柯里的一次洛杉矶旅途中，帕金森用了大半个下午，面对面地为他讲解卫星导航。

帕金森现在认为，那个下午的讲解是卫星导航在投票否决之后并未终结的原因。的确，这使柯里成为了盟友，柯里立即提醒帕金森，他所提交的理念仅是他从前人那里继承来的，而不是他自己开发的。

帕金森在一份口述历史报告中提到，柯里告诉他：“听着，你的工作做得非常非常好，但你我知道，这不是一个真正的合作项目……回去吧，把它重新组合成一个合作项目，尽快交给我，我非常肯定，我们会批准它的。”

帕金森和他手下的工程师们在劳动节假期还在工作，为他们的卫星导航系统开发一个新的架构。他说，他们在五角大楼会面，而不是在洛杉矶，“因为太多与项目有关的人都陷入了旧理念。”帕金森说，他们聚集在因假期而空着的办公室里，“敲定了我们想要做的工作，并将其总结成7页。”

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帕金森回顾道，众所周知，“孤独大厅”会议导致了几个关键的变化：将系统的码分多址（CDMA）无线电信号修改为包括民用信号和受保护的军事信号；卫星轨道被调整，考虑到运载火箭的能力，减少了最佳高度所需的卫星数量；并且设计采用了轨道原子钟，这将使地面接收机不再需要保持精准的时间。

帕金森说，第3个挑战是最冒险的——能够克服太空辐射的原子钟还不存在。但他知道，海军研究实验室的罗杰•伊斯顿（Roger Easton）正在开发符合太空标准的原子钟，这是海军Timation卫星导航项目的一部分——他打赌，该时钟的某些版本将能够用于卫星。

这项决定对于消费者今天使用的便宜而小巧的GPS接收器至关重要。相反，如果我们必须携带超精确的时钟，接收器将极为昂贵，并且和一本字典大小差不多，帕金森说。它们需要进行定期同步以保持准确。当然，若非如此，它们也就不会变成成本仅几毛钱且能塞进每部手机之中的微型电子产品了。

帕金森非常希望消费者使用新系统。在他看来，项目的使命始终是双重的——特别精准和特别便宜。他甚至在洛杉矶的项目办公室门口挂了一个木板，强调这样的信息：“别忘了！本办公室的任务是将5枚炸弹投进同一个洞里，同时打造一套便宜的导航设备。”

帕金森在“孤独大厅”会议后花了几个月时间向五角大楼的官员和决策者们推销这一提案。他每周两次飞往华盛顿，两个月内开了大约60次会议（他现在仍存有一份清单）。

他解答了所有质疑：是的，信号足够强大，足以在周围的噪声中被检测到。是的，系统可以达到10米的精确度。是的，1.8亿美元将包括4颗卫星的星群以及相关的地面设备。（最终花费大约是2.5亿美元，但包括2颗新增的卫星——帕金森说，这不算是严重超支。）

“他是个完美的推销员。”他在621B项目中的同事梅尔顿说道。

1973年12月，国防委员会批准了提案。帕金森领导该项目3年半，直至第一颗GPS卫星升入太空，并且初步测试证实系统能够按照设计工作。

原本，在首次发射时，伊斯顿的原子钟尚未准备好，而帕金森委托罗克韦尔国际公司工程师研制的适于太空条件的原子钟刚好完成。不过，帕金森仍然给予伊斯顿高度赞扬。

“伊斯顿让我确信我们可以做到——这在很大程度上扭转了局势。”他说。完整的24颗卫星组成的卫星系统在1995年投入运行。苏联时期开始的类似项目——俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）系统——在1995年完成。欧盟的伽利略系统和中国的北斗系统预计将在2020年完成。

帕金森1978年从空军退休，但他没有将GPS抛诸脑后。他在行业内担任过多个职位（包括罗克韦尔国际空间系统集团副总裁和Intermetrics的副总裁），后来于1984年回到斯坦福大学担任航空航天学教授。他随即重新加入了轨道陀螺仪项目（现在称为重力探测器B），担任项目经理和主要研究人员，该项目于2004年成功启动。

他还领导着一个旨在开发GPS技术民用应用的研究小组。这项工作促成了机器人帆船、商用飞机的首次GPS引导着陆，以及通过对卫星数据进行检测与校正而提高GPS定位准确度的地面站系统。最后一个项目演变为美国联邦航空管理局的广域增强系统，该系统利用来自地面站的数据，校正诸如大气引发的信号延迟或轨道漂移所产生的信号误差，从而提高GPS的准确度。

帕金森的团队还开发了目前他最热衷的应用——自动拖拉机。他关注自动拖拉机已经有一段时间了；早在1978年他就谈到要将其列为GPS的未来应用。但直到1990年，他才有机会推动该项技术的发展。在斯坦福大学，他会见了来访的约翰•迪尔公司的代表，建立了公司与大学之间联系。帕金森还展示了GPS导航的自动驾驶高尔夫球车。

“想想拖拉机。”他告诉来访者。

帕金森回忆道，迪尔公司的代表对农民是否会购买这样的系统持怀疑态度，但该公司渴望与斯坦福大学合作，并同意资助一项开发项目。

“他们给了我们大约90万美元和两台巨大的拖拉机。”帕金森说。一个学生团队花了几年时间来开发这项技术，并在1997年首次展示了一个功能完善的系统。

他补充说，很高兴看到从那时开始兴起的GPS导航农业精细耕作。从帕金森的家中可以远眺一座农场。他经常在田野里散步，有时会高兴地发现一辆GPS导航的拖拉机正在运行。“这些拖拉机节省了化肥和时间，是很好的回报。”

“我想，他热衷农业应用是因为这让他感觉到GPS适合所有人。”帕金森以前的博士生，现在已经是科罗拉多大学教授的佩妮娜•艾克斯拉德（Penina Axelrad）说道，“当然，现在每个人的智能手机里都有GPS，但拖拉机是当时每个人都能够评价的一项早期应用。”

帕金森现在基本退休了，不过他仍然在斯坦福大学进行研究项目。

他仍然是最热衷GPS的粉丝之———他家里和车里使用GPS的设备不止十几件，包括他在醒着的大部分时间里戴着的一块手表。

“当他看到使用GPS的酷炫设备时，他会非常兴奋。”艾克斯拉德说。

感觉GPS的地位受到威胁时，他会立即以保护者的姿态出现。目前，他认为Ligado网络会带来巨大威胁，该网络旨在利用1525～1559兆赫频段创建宽带无线网络。该频段与GPS使用的1164～1587兆赫频段毗邻，位于其他原本保留用于卫星通信的频段之中。Ligado的频段被留作地面与卫星通信之用，有限地使用蜂窝塔帮助用户连接到网络。但是，在2011年，美国联邦通信委员会考虑给予Ligado的前身LightSquared一项有条件的豁免，可以使用该频段进行不受限的地面通信。GPS行业提出抗议，并展示了相关干扰的数据。2012年，豁免被取消。但Ligado最近又卷土重来，提出了一项低功率系统的提案，声称该系统不会干扰GPS。

提案还未提交给联邦通信委员会。但帕金森说，美国运输部的测试显示存在广泛的干扰，特别是对最精密的设备。他在一篇社评中提醒公众注意提案的危险性。Ligado的设计旨在改变“来自太空的安静信号的大小，用于大功率地面发射机，”他写道，“他们显然会利用这个与现有的宽带公司竞争。美国已经有至少4家宽带提供商，但GPS却是唯一的。”

帕金森说：“置GPS于危险之中，就要自食恶果。”