GPS与达·芬奇年事地图

首都医科大学教授   秦笃烈编译
1996-04-26

        距Bologna大学不远外有一个中世纪小城市Imola。1502年，当时达·芬奇捏任司令官Cesare Borgia的年事和技术顾问。Borgia要在该小城市内建立他的司令部，指挥他的部队攻占周围的城镇。达·芬奇绘制了Imola的地图，在草稿中他以本地习惯的长度单位“臂长”表示街道长度，但是在定稿时可能是出于军事秘密考虑删去了长度单位。也不清楚当时是否使用了水平仪或罗盘确定方向。地图内接于一个圆内，分为八个45°扇面，这张地图现保存于英国Windsor(温莎市)皇家书馆。将近500年过去了，大地测量技术发生了巨大变化，特别是出现了GPS。Bologna大学物理系教授萌发了利用GPS校核达·芬奇地图的想法。
        GPS技术是由美国国防部开发的。其空间环节由18颗卫星组成，排列在六个轨道平面上，与赤道的倾旬为55°。轨道是圆形的，高度为20183公里，周期为12小时。从地球任何位置以及在一天的任何时间，从地平线上至少可见三颗卫星。
        有几个地面控制站(GPS控制环节)监控所有卫星的工作状态、跟踪它们的轨道异常情况以及每个原子钟相对于普适坐标时间的偏离。这些数据每周更新一次并且由卫星通过航行消息实时传送。
        这次实验使用的GPS是NAVSTAR公司的产品XR4-PC，它是一种插卡，可以括在PC内对输入输出数据作实时处理。系统还包括导航软件和万向天线，这种GPS使用C/A码，它包含两个硬件通道，可以同时跟踪八个卫星。从教学角度看，它特别适合有了PC机就可以处理经度、纬度、准确度、卫星方位角和高度以及普通坐标时间等大量信息。这一GPS的测量精度为50米，所得数据按意大利国家电子航海协会标准导航协议以ASCII字符串形式存入文件并进行选用的电子表格软件。
        参加实验的大学生共有十人，按不同任务分为若干小组，分别执行测量卫星海拔高度、研究本地高分辨地图、采集数据、数据分析等任务。从Imola左城的城墙请教堡中选择五个位置作为GPS测量。这样实时测到的数据包括90个页面和十张数据单。通过学生的Forlran语言编写的统计程序分析表明，所有采集到的GPS结果产生了向西南漂移约100米的系统误差。这时对学生提出进一步问题：出现系统漂移的原因是什么?是否可以纠正?
        为此，教师要求学生在位于Bologna市中心的大学物理系所在地进行连续观察。每隔10钟观察一次，一共从GPS测到120个这一位置的经度和纬度值。当学生画出经度和纬度的直方图并且计算出均值和标准差等统计数据以后，发现GPS的测量和已知地理值之间从统计学角度存在相当好的吻合。
        哪么产生漂移的原因是什么?因为其数值高于GPS出厂允许误差范围，教师引导学生思考GPS的定位框架。GPS是按照称为WGS-84的全球空间框架定位的，而本地的地图按当地参考框架定位。因为这两种框架的定义不同，由此引出的两套坐标产生出某种位移是可以理解的。因为地球的几何形状并不规则，因此不可能定义从当地观察出发的全球地理坐标系。要能够在地球上建立同一个参考框架来测量所有位置的坐标，有赖于空间技术的进一步发展。
        通过进一步查找文献，学生打到了GPS测量值和本地大地测量系统的转换公式。利用转换公式计算出的纠正值表明，GPS测量值与达·芬奇绘制的Imola古堡以及现代地图是基本吻合的。
        学生将达·芬奇绘制的地图和GPS以及现代地图仔细比较以后发现，1502年Imola古堡的指北方向和现代偏离近14°。带着这个问题，学生阅读文献知道，地球磁场随着时间变迁作不规则变化，变化的量因时因地而有所不同。这一偏离可以认为是近500年来，地磁变化在当在的体现。
        Bologna大学物理系教授组织学生利用GPS进行的地理测量实验取得很大成功。美国等国的科技媒介作了报道，这次实验将GPS高技术的使用、PC机的使用、现场测量、程序设计、应用软件操作、数据分析、GPS原理探讨以及本国的人文历史有机地结合起来。参加实验的学生都觉得取得很大收获，很乐意这样做。
        编者注：当今是电脑飞速发展的时代，许多过去做不到的难事电脑都做到了。我们能否让我国的年青人利用电脑做更多的事情呢?
 
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