【發明 GPS 的隱藏人物】美國數學家在雷達專案中,建構出地球形狀的數學模型

建立 GPS 數學模型的葛萊蒂絲.韋斯特博士

【為什麼我們要挑選這篇文章】大家每天都在用 Google Map,那你知道 GPS 是誰發明的嗎?

GPS 背後的數學模型,來自於美國數學家葛萊蒂絲.韋斯特,她在帶領海洋衛星專案的時候,建構了地球形狀的數學模型,成為 GPS 的技術基礎。下文,是韋斯特的求學與研究故事。(責任編輯:郭家宏)

GPS 技術無疑已經成為了我們生活的一部分:在手機上使用行車導航,還能為 IG 的照片標記位置。

但 GPS 是如何誕生的?這一切來自於美國空軍數據家,已經 90 多歲的葛萊蒂絲.韋斯特博士(Dr. Gladys West)。

今天,讓我們一起探訪這位 GPS 背後的隱形人物。

韋斯特負責「海洋衛星」專案,打造出 GPS 的數學模型

1930 年,韋斯特出生於維吉尼亞州丁維迪縣的一個偏遠的農村社區,她家裡有一個小的農場,她、農民和煙草廠工人生活一起。

她很早就決定,留在維吉尼亞州農村工作不是她所憧憬的未來,她認為教育是她走出農場的關鍵。她努力學習,在學校所有的科目都拿到了最優的成績。儘管家裡沒有錢供她上大學,但她的努力換了來回報——1948 年,她以優秀畢業生從高中畢業,並獲得了美國維吉尼亞州立大學的獎學金。

韋斯特決定在維吉尼亞州立大學主修數學,在那裡,她還是 AKA(Alpha Kappa Alpha)聯誼會成員。大學本科畢業後,韋斯特在維吉尼亞州韋弗利市教了兩年的科學和數學後,之後回到維吉尼亞州立大學攻讀數學碩士,並在 1955 年取得了學位。次年,她被聘為維吉尼亞州達爾格倫海軍試驗場的數學家(現為海軍水上作戰中心),專門研究衛星數據。她是當時僅有的四名非裔美籍僱員之一。

起初,她就像一台行走的電腦,全都自己手寫計算,但後來她轉向電腦程式。20 世紀 60 年代初,韋斯特進行了一項天文研究,證明了冥王星相對於海王星的運行規律,即冥王星每繞兩個軌道運行一次,海王星就繞三個軌道運行,這一現象被稱為「軌道共振」。

明尼蘇達州天文學會主席大衛.福克納解釋說:「冥王星的軌道非常古怪,或者說是橢圓形的,因此冥王星每運行 248 年,會有 20 年左右在海王星的軌道內運行。雖然這兩個軌道實際上並不相交,但兩顆行星如此接近,可能導致它們之間產生相互的引力影響,並導致它們改變軌道。然而,由於海王星和冥王星的共振比為 2:3,所以它們的距離永遠不會超過 17 AU(天文單位約為 9300 萬英里)。因此,這種 2:3 的共振非常穩定,已經持續了數百萬年。

此後,她加入了「海洋衛星」雷達測量項目,擔任專案經理。

在「海洋衛星」(Seasat)專案之前,想要精確測量地球表面或地球與飛機等物體之間的距離幾乎是不可能的。因為地球並非是一個完美的球體,這使得計算這些距離具有挑戰性。海洋在測量不規則的行星形狀方面起了很大的作用,因此瞭解海平面的變化為模擬行星形狀邁出了重要的一步。「海洋衛星」是第一顆能夠用雷達遠程探測海洋的衛星,它可以測量衛星與地球海洋表面之間的距離。多年來,韋斯特利用「海洋衛星」和其他衛星提供的資訊,建構了一個非常詳細且精確反映地球實際形狀的數學模型,稱為「大地水準面」。這個計算模型是現代 GPS 的基礎,因為 GPS 技術需要採用數學模型來確定接收機的位置。

空軍將韋斯特視為「軍事史上的隱藏人物」

在達爾格倫待了 42 年後,韋斯特於 1998 年退休,儘管退休後 5 個月得了中風,但她並沒有放慢腳步。她與丈夫一起在當地基督教青年會(YMCA)上課,努力重建自己的力量,恢復失去的活力。因為她有一個心願,她要完成在公共管理領域的遠端博士課程。最終,她於 2018 年從維吉尼亞理工學院(Virginia Tech)獲得了博士學位。
有段時間,西方在 GPS 科技發展中的研究未受重視

儘管她在軍隊的長期職業生成取得了不少成就,但她為全球定位系統技術發展做出的貢獻並沒有得到重視。直到紀念 AKA 聯誼會成員的活動中,她提交了一份簡短傳記,在傳記中簡述了她是如何成為開發全球定位系統的團隊的一員。這引起了一位姐妹會成員的注意,決心幫助韋斯特分享她的故事。2018 年初,美聯社報導了韋斯特的故事,隨後空軍航天司令部也發佈新聞稿,正式將她視為軍事史上的「隱形人物」。2018 年 2 月,韋斯特獲得維吉尼亞州參議院的表彰。同年 12 月 6 日,在五角大樓舉行的儀式上,她入選空軍太空與導彈先驅名人堂。

至今,作為一名數學家,韋斯特更喜歡用紙質地圖和手寫計算開展研究,而不是用她幫助發明的 GPS 技術。

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(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈手机 GPS 背后的隐形人物:用纸质图手算出冥王星轨道的女数学家 〉。首圖來源:Wikimedia Commons

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