不过，不管是GPS这样的全球定位导航系统、还是今日火热的智能制造为代表的精密制造，背后都是人类对精确的不断追求所构建起来的。精确，不仅从源头上“定义”了现代世界，更一步步“塑造”了现代世界。然而，尽管我们的生活充满了精确，但我们往往忽视了精确的存在。

　　在近期出版的一本新书《追求精确》中，作者西蒙·温切斯特（精密制造先行者、大英帝国勋章获得者、畅销书《教授与疯子》作者），便从源头上介绍了对精确的极致热爱如何塑造了现代世界，浓缩250年来精密制造的科学发展历程。

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　　从英国北威尔士的铸造厂到曼彻斯特的工厂，再到美国迪尔伯恩的汽车生产线，以及美国的实验室，追溯了从工业时代到数字时代的技术发展历程，带领读者见证公差是怎么从0.1缩小到0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01（几近为零）。精密制造是人类辉煌的科技创新史，背后更是一部天才、英雄、创新者不断追索的探索史。

　　01

　　全球定位系统的诞生

　　有一项技术的诞生，最终将取代台卡、罗兰(Loran)、吉奥(Geo)、子午仪(Transit)、马赛克(Mosaic)等专有无线电导航系统以及六分仪、罗盘、天文钟等几个世纪以来海员们用于定位的各种导航设备。

　　毫无疑问，这项技术就是全球定位系统。它的基本原理是在另一项技术的发展中意外诞生的。那是1957年10月7日，周一，威廉·吉尔(William Guier)和乔治·韦芬巴赫(George Weiffenbach)这两位年轻科学家来到约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室，他们和所有美国科学家一样被这样一个事实所吸引：人类历史上第一次有一颗人造卫星正在绕地球运行。

　　那就是人造地球卫星“斯普特尼克号”（Sputnik）。吉尔和韦芬巴赫都是计算机专家，他们最近在做的工作分别是氢弹模拟和微波光谱研究。他们认为，或许可以通过记录并分析那些无线电信号，来确定斯普特尼克号的确切位置。

　　因此，他们将实验室里的专用无线电接收机调到斯普特尼克号卫星的频率上，专注地倾听并用高保真磁带录放机录制卫星信号有规律的振动声。然后，他们分析了卫星无线电信号的频率，结果发现，正如他们所猜想的那样，随着斯普特尼克号卫星从地平线上升起，然后直接从巴尔的摩实验室上空经过，最后再次落到地平线下，信号的频率在这个过程中发生了轻微的变化。他们观察到的这种频率变化即为多普勒效应。有史以来第一次，这两位物理学家证明了卫星信号的频率变化既可检测又可测量。

　　他们的应用物理实验室里有一台全新的雷明顿通用自动计算机（Remington UNIVAC），那是当时功能最强大的计算机。此后不久，两人便利用这台计算机将卫星信号数字化，然后根据现已转换成数字的不同频率相当精确地计算出斯普特尼克号在各条轨道上的位置。斯普特尼克号在他们正上方时的频率是信号的真实频率；由斯普特尼克号绕地球一圈所需的时间可知其运行时速约为28 800千米。因此，以真实的频率为基准，根据信号频率的相应变化可以计算出斯普特尼克号在靠近和远离他们的过程中所处的位置。

　　这一运算耗费了数周，并产生了深远的影响。后来在美国加入太空竞赛时，他们也成功地将其应用于“探险者1号”（Explorer I）的轨道预测。次年3月，应用物理实验室主任弗兰克·麦克卢尔（Frank McClure）意识到，他这两位年轻的同事无意中发现了一种可以在全球范围内使用的应用程序。

　　他们后来才意识到这样的推论：无论是船只、卡车、火车还是普通平民，无论是移动的还是静止的，基于这一简单多普勒原理设计的卫星导航系统都可以代替海员们在过去几个世纪里使用过的六分仪、罗盘、天文钟以及当下正在使用的罗兰、台卡、奇（Geo）等导航系统。它不仅可以确定他们所在的位置，还可以告诉他们要朝哪个方向走才能到达他们想去的地方。他们的工作为一种相对简单且有可能相当准确的导航系统奠定了基础。

　　确实相当准确。巴尔的摩应用物理实验室的研究经费很多都是来自美国海军，后者进行了一些粗略的计算，然后提出了这样一个概念，即在拥有大量卫星的前提下，对人或物的定位或许可以精确到0.5英里以内，比如对船只或潜艇的定位。

　　当时，美国海军正在寻找一种安全可靠且准确的方法来定位装备“北极星”导弹的核潜艇舰队，因此，被称为“子午仪”的多普勒卫星导航系统就这样应运而生了（见图8-1）。1960年，一颗原型卫星被成功送入轨道。此时距离麦克卢尔书写那份著名的备忘录才不过6年（也就是斯普特尼克号发射3年后），美国海军的“子午仪号”卫星编队就开始绕地球运行，第一个真正的卫星导航系统开始全面投入使用。

　　多普勒卫星导航系统

　　注：该卫星于20世纪50年代和60年代由美国海军发射，通过多普勒卫星导航系统定位美国战略核潜艇，精确度为300英尺。子午仪系统被认为是世界上第一个实用的卫星导航系统，该系统最终促使了现代全球定位系统的诞生。

　　后来，由15颗卫星构成的系统建成了。虽然该系统效率低下，在早期每隔几小时才可用一次，但它确实让美国海军船只在任何天气情况下都能随时随地进行比较准确的定位。

　　通过在15分钟内跟踪一颗经过的卫星，船只可以确定自身所在的位置，精确度为300英尺。据说，美国海军搭载“北极星”弹道导弹的战略核潜艇在进行定位时能够精确到60英尺以内，因为他们可以使用相关软件的高度机密增强版，即给出卫星正确轨道的信号接收软件。

　　子午仪系统显然要比台卡、罗兰等无线电导航系统强大许多，而且经受了考验，直到1996年才停止使用，服役时间长达30多年。该系统于1967年对商船开放，在其鼎盛时期，多达8万艘非海军船只使用该系统。正如一位项目经理所说：“这是自船用天文钟问世以来在导航方面迈出的最大的一步。”

　　02

　　多普勒导航系统和钟差系统的生死对决

　　世界发展越来越快，核武器越来越危险，敌人越来越狡猾，关键基础设施的要求越来越高。600英尺、300英尺、200英尺、60英尺等误差先后被海军称为“高精确度”，现在显然已名不副实。此外，每小时只能进行一次定位，而且评估时间长达15分钟。评估过程由一小批海军人员在地面站通过成排的计算机完成，无论他们受过多么良好的训练，都难免出现人为误差。

　　新的世界秩序需要更好、更快、更可靠、更安全和更精确的导航系统。基于多普勒频移的导航系统也很好、很可靠。然而，大环境在更新提速，变得更具威胁性，面对这样的技术现实，多普勒导航系统显然无法应对。

　　1973年，美国佛蒙特州一位乡村医生的儿子罗杰·伊斯顿（Roger Easton）提出了一种很明显可以应对当前形势的系统。该系统涉及时间问题以及计时用的时钟问题，所涉及的物理原理实际只是被动测距（passive ranging），本质上非常简单。

　　罗杰·伊斯顿(左三)

　　注：多年来偶尔发生的党派之争最终导致出生于美国佛蒙特州的伊斯顿被公认为全球定位系统的发明者，当时他在华盛顿特区的美国海军研究实验室工作。

　　假设有两个十分可靠的时钟，它们显示的时间完全相同。再假设其中一个时钟在伦敦，另一个在底特律，两个时钟都通过视频流连接，都在Skype、FaceTime或WhatsApp等社交软件上显示。在这个场景中，我们完全相信两个计时器的精确度和准确度，而且十分确定它们设置的时间相同，因此显示的时间也是相同的。

　　如果两位观察者分别去观察各自所在房间里的时钟，他们看到的时间显然是相同的。但是，如果身在伦敦的观察者通过视频去观察底特律的时钟，就会发现细微的差别：与放在他旁边的时钟相比，底特律的时钟似乎慢了零点几秒，差不多正好是0.02秒。不过，他很确定实际上两个时钟显示的时间是一样的，同时也知道两者之间的信号速度即光速，是一个常量。因此，这种差异必然是由这个场景中的唯一未知的变量造成的，而这个未知的变量显然就是信号从底特律传到伦敦必须经过的距离。

　　伊斯顿立即设计了一个简单的实验，并邀请了几位高级海军军官同事前来观察。他制作了两个这样的装置。他把其中一个放在一辆敞篷车的后备箱里，那辆车的主人是他的一位工程师朋友，名叫马特·马卢夫（Matt Maloof）；另一个则放在得克萨斯州南部的海军基地，也就是他工作的地方。伊斯顿让观察者们看着他在实验室里连接好的示波器屏幕，同时让马卢夫以最快的速度沿着得克萨斯州295号公路开到最远的地方。这条公路当时还没有竣工，因此空无一人。在马卢夫迅速驶离的过程中，车上的发射机一直在不停地向外发送信号，而总部的办公室里有一个振荡器在接收这些信号。该振荡器的频率和发射机的频率完全一样。

　　随着汽车离办公室越来越远，两个数字之间的差值也越来越大，而这都是由距离的差异造成的，因为其他所有因素都是恒定的，这些因素包括两个设备的频率和信号传输的速度，即光速。海军军官们看得入了迷。随着计算结果出炉，他们几乎立刻就能知道马卢夫的车离办公室有多远、开得有多快以及何时改变了方向。当马卢夫在几十千米以外的地方换车道时，这一数字发生了明显的变化。见到这一幕，他们深感钦佩，惊讶之情溢于言表。这次演示取得了圆满成功，原则上证明了钟差导航系统是可行的，而且远比人们想象的简单。

　　美国海军立即拨款进行深入研究，只是这笔款项数额极小，无法支持发射卫星，也就无法在军方偏爱的真实环境中进行测试。与此同时，美国各地的实验室也在不断提出其他定位方法。军方技术、人员和部门矛盾纷争不断，从事后看来，俨然就是一场多普勒系统和钟差系统的生死对决。直到今天，伊斯顿的支持者和布拉德福德·帕金森（Bradford Parkinson）的支持者之间还存在许多不友好的争论。

　　布拉德福德·帕金森

　　注：帕金森曾与伊斯顿竞争全球定位系统的发明者这一身份，此外还以所谓的自动化战场研究而闻名。他对全球定位系统的设想在很大程度上倾向于军用，而伊斯顿则颇富诗意地认为该系统自然而然地继承了哈里森于18世纪对经度和高精确度时钟的研究。

　　不过，钟差系统最终胜出。1973年，美国空军取得了部分胜利，从该计划的海军发起者手中夺取了运作控制权，开始了这个卫星系统的建设。该系统为导航星全球定位系统的核心，而导航星全球定位系统在后来被简化为了现在人们所熟悉的全球定位系统。伊斯顿则摘得了桂冠：他被授予美国国家技术奖章以及其他多项荣誉，包括以该系统的主要发明者的身份入选美国国家发明家名人堂。

　　这个提议中的系统存在大量的技术问题。为了解决这些问题，多颗卫星被分批发射，成组送入太空，形成覆盖全球的卫星组合。1978年至1985年，01组10颗卫星被成功送入轨道。全球定位系统于1978年2月正式启用，不过最初仅供美国军方使用，现在完全向平民开放，几乎没有任何限制。这些卫星共同形成了全球定位系统的运作支柱，而这一系统对每个人来说都是必不可少的公益系统，由美国政府免费提供。

　　03

　　追求精确，对当今的中国意义重大

　　如今，全球定位系统远不止是引导船只安全入港或在高峰时刻于街道上驾车穿行。移动电话通信、农业、考古学、构造学、救灾、制图、机器人学、天文学等凡是需要知道时间和位置的人类活动，几乎会随着用作导航的信息越来越精确而得到改进。

　　全球定位系统领域的跃升是全球个人、企业、国家共同努力的成果。对于当下时代精密制造的持续发展，追求极致精确、极致精益，不仅是一种产品质量观，更是一种关乎企业存亡乃至国家兴衰的哲学观，对迈向制造强国的中国意义重大，期待有更多正在和即将发生的中国精确故事。

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