無問西東，須知南北

最新 01-22

人們常用「忙得找不到北了」來形容忙得暈頭轉向，沒有頭緒。有意思的是，人們為什麼不說「找不到東」或者「找不到西」呢？難道北有什麼特定含義嗎？

確實是這樣的。因為很早的時候人類就用北極星來確定方向，找不到北就意味著迷失了方向。

圖1 來自網路

我們日常生活中說的「北」其實是一種粗略的說法。在地理信息領域，北一般可分為磁北和真北兩種。磁北是指地磁線上某一點的切線指向磁北極的方向，而真北是指地球經線上某一點的切線指向地理北極的方向。簡而言之，磁北是指地球磁場中的「北」，而真北指的是地球經緯圈中的「北」。

圖2 磁北

圖3 真北

在現代工程測量中，多以真北作為確定方位的基準。因此，人們用了很多不同的方法去尋找「北」這個小傢伙，比如天文尋北、地磁尋北、慣性尋北，以及電磁尋北等。

天文尋北：看星星

觀看北極星大概是人類最早採用的辨別方向的方法。如果你站在北極的極點上，會發現北極星正好懸在你的頭頂上，而且位置幾乎不變。因此，可以用它作為參考基準辨別方向，沿著北極星的視線方向，約略確定的就是北向。不過用北極星定向必須等到晚上，而且還得是一個月朗星稀的夜晚。

圖4 北極星尋北（圖片來自網路）

雖然粗略，但看星星屬於天文定向方法。今天，人們可以用天文儀器觀測北極星來定向。它是目前精度最高的方位測定方法，可用於建立高精度的方位基準。

地磁尋北：指南針

後來，人們發明了司南、指南車以及指南針等，用它們來確定方向就方便多了。指南針指向的是磁北。在現代人看來，指南針是一種很簡單的儀器，但它在古代軍事及航海上發揮了重要作用。現在我們的手機里就裝著電子指南針，它利用的也是地磁尋北方法。此外，磁羅盤也是地磁尋北儀器，在早期的飛機上常使用它。

圖5 司南

圖6 指南車

圖7 指南針

慣性尋北：陀螺儀

1852年，法國科學家傅科提出用陀螺來尋北的設想。限於當時的技術條件，他採用人工拉動繩索驅動陀螺旋轉的方法，這在轉速和穩速精度方面都無法達到尋北的要求。雖然這項實驗最終並未成功，但揭開了人類慣性尋北的新篇章。

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8傅科及傅科陀螺儀

1908年，德國的安修茨和舒拉終於研製成功世界上第一台實用的陀螺羅盤。這是人類歷史上第一次應用力學原理成功實現了尋北。

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9圖中為安修茨和愛因斯坦，他們曾一起討論陀螺的支承問題

陀螺羅盤的發明意義重大，它不但滿足了當時艦船導航的需求，而且推動了陀螺儀理論的發展。此外，正是在對陀螺羅盤的改進過程中，舒拉以地垂線指示系統為例闡明了舒拉擺原理，為後來慣導平台的研製奠定了理論基礎。二戰之後，在礦山工程及低成本尋北的需求下，陀螺經緯儀和捷聯式陀螺尋北儀相繼問世。

圖10 陀螺經緯儀

圖11 捷聯式尋北儀

陀螺儀為什麼可以尋北呢？這就涉及到尋北儀的兩種尋北原理。

動力學尋北，是指利用陀螺儀自轉與地球自轉之間相互影響的動力學效應進行尋北，如陀螺羅盤和陀螺經緯儀。

我們知道陀螺儀的一個重要特性是具有定軸性，它是指陀螺儀的主軸在慣性空間的方向保持不變。然而，地球繞地軸轉動，不是慣性空間。因此，當我們在地球表面觀察陀螺儀的主軸時，會發現它在空間的指向發生變化，這就是陀螺儀的視運動，陀螺尋北的秘密即源於此。

當陀螺儀作視運動時，其轉子軸端點的軌跡是一個圓。如在成都地區轉動一圈的時間大約是28小時。如果對陀螺儀施加「下擺力矩」，其轉子端點的軌跡將變成橢圓，而且下擺性越大，橢圓越扁，運動周期越短。陀螺儀轉子軸擺動中心的方向即是真北方向，通過記錄轉子軸在水平面上的位置點 A 就可確定方位角

。

圖12 動力學尋北原理圖

運動學尋北，是指通過陀螺儀測量地球自轉角速度的水平分量進行尋北，捷聯式陀螺尋北儀即屬於此類。

圖13 運動學尋北原理圖

捷聯式尋北儀需要「先調平，後尋北」。然而，調平往往費時費力，特別是大型車載平台的高精度、快速調平頗為困難。如果尋北儀能夠在傾斜狀態下直接尋北，就徹底解決了調平帶來的問題。這就是研製全姿態尋北儀的出發點。所謂「全姿態尋北」是指能在各種傾斜狀態下尋北。它的意義不僅在於能夠在傾斜狀態下精確尋北，更重要的是對系統瞄準和測量方法帶來的變化。正因為如此，「全姿態尋北」將會成為軍事領域尋北定向的發展方向之一。

陀螺尋北方法不需天文觀測，不依賴於地磁場，不受鐵質材料干擾，且確定的是大地真北，其自主性、全天候的特點在軍事領域具有重要意義。

電磁尋北：GPS

20世紀90年代中期，美國建成全球定位系統。它具有全方位實時導航與定位能力。雙 GPS 定向即是在 GPS 定位信息的基礎上，用多個接收機的信息解算方位信息。