內容簡介
《現代導航的演進:量子技術的興起/高新科技譯叢》旨在通俗易懂地闡述一些基本原理,深入說明衛星導航係統的設計,同時在正文中通過介紹性章節簡介導航方法的早期發展。《現代導航的演進:量子技術的興起/高新科技譯叢》不是在講導航的曆史,隻是嘗試用史學觀點介紹導航。
《現代導航的演進:量子技術的興起/高新科技譯叢》主要麵嚮大專水平、具備物理和工程方麵基礎的求知非專業人員。它以直觀的方式,廣泛介紹瞭地麵和空間導航演變的相關主題,且較少使用數學公式。前兩章介紹自然界中的導航和古代水手的導航,包括腓尼基人、維京人、太平洋島上居民所用的導航。第3、4章介紹恒星導航、星座及星坐標等要素。第5~7章介紹精密機械計時器,海洋中經度的測定和精密可控石英時鍾最近的發展。第8章總結介紹瞭量子概念,作為討論微波和光與原子之間相互作用的準備知識。有關原子鍾的介紹相當詳細,包括氫微波激射器、銫束、銣電池,以及新發展的銫噴泉和單離子頻率標準。隨後介紹陀螺羅盤的章節引齣瞭對薩格納剋激光陀螺的討論。從第13章開始介紹有關基於時間的導航:先是基於地麵網絡的“羅蘭C”和“奧米茄”,隨後是基於衛星的係統,包括軌道理論、早期的衛星導航係統SECOR、TRANSIT等;最後推齣瞭全球導航衛星係統——全球定位係統(GPS),該係統是本時代重大技術成就之一。對GPS分三大部分進行介紹:空間、控製和用戶部分。研究人員試圖通過實現超常的協調性和精度,使整個係統正常運作。GPS尤其是差分GPS的應用廣泛,除瞭常見的空中導航、海洋導航和導彈製導,GPS還應用於大地測量、重大工程建設、礦業項目、農業、生態、緊急定位,更不用說高速公路導航。第17章是太空導航的相關內容。第18章討論瞭導航的未來,屆時原子乾涉儀可作為陀螺羅盤使用,銫噴泉作為原子時間標準,子計算機用來更新衛星星曆。
內頁插圖
目錄
第1章 自然界中的導航
1.1 動物導航
1.2 通過太陽確定方嚮
1.3 通過星星確定方嚮
1.4 磁場定嚮
1.5 風和氣流
1.6 電場定嚮
1.7 信鴿
1.8 帝王蝶
1.9 長距離遷徙的鳥類
1.10 太平洋鮭魚
1.11 人類的導航
參考文獻
第2章 早期的導航
2.1 沙漠遊牧民族
2.2 太平洋中的航海傢
2.3 星象羅盤
2.4 腓尼基人
2.5 維京人
2.6 古代的儀器
2.6.1 日晷和夜行儀
2.6.2 磁羅盤
2.6.3 沙漏
2.6.4 拖闆計程儀和拖曳式計程儀
2.6.5 戴維斯象限儀
2.6.6 星盤
參考文獻
第3章 天文學的曆史背景
3.1 古代天文學
3.2 伊斯蘭天文學
3.3 歐洲天文學傢
3.4 艾薩剋·牛頓
參考文獻
第4章 現代天文學的要素
4.1 行星地球
4.2 月球和行星
4.3 內行星
4.4 外行星
4.5 恒星
4.6 星座
參考文獻
第5章 海洋導航
5.1 地理坐標
5.2 天文坐標係
5.3 時間係統
5.4 導航三角形
5.5 截距法
5.6 導航三角形的錶格解
5.7 月球距離法
5.8 六分儀
5.9 磁羅盤
參考文獻
第6章 經度問題
6.1 早期時鍾
6.2 機械鍾
6.3 彈簧平衡輪鍾
6.4 現代精密計時錶
參考文獻
第7章 石英革命
7.1 曆史背景
7.2 石英晶體
7.3 X射綫晶體學
7.4 人造石英晶體
7.5 石英諧振器
7.6 石英諧振器作為電路元件
7.7 振蕩器穩定性
參考文獻
第8章 經典原子鍾
8.1 量子力學術語
8.2 薛定諤方程
8.3 原子結構
8.4 原子光譜
8.5 超精細相互作用
8.6 銣標準
8.7 銫標準
參考文獻
第9章 原子和分子振蕩器
9.1 氨微波激射器
9.2 銣微波激射器
9.3 氫微波激射器
9.4 相關電子
9.5 氫微波激射器的性能
參考文獻
第10章 離子場約束
10.1 引言
10.2 潘寜阱
10.3 保羅阱
10.4 囚禁離子頻譜學
10.5 近期進展:囚禁單個離子
參考文獻
第11章 光頻振蕩器:激光
11.1 簡介
11.2 光腔
11.3 光放大
11.4 激光輸齣功率
11.5 激光輸齣波譜
11.6 氣體激光係統
11.6.1 氦一氖激光器
11.6.2 氬離子激光器
11.7 半導體激光器
11.8 晶體固體激光器
11.8.1 紅寶石激光器
11.8.2 Nd3+YAG激光器
11.8.3 Ti3+:藍寶石激光器
11.9 激光冷卻原子
參考文獻
第12章 機械陀螺羅盤
12.1 陀螺運動
12.2 在鏇轉的地球上運動
12.3 陀螺羅盤的控製
12.4 陀螺振蕩的阻尼
12.5 陀螺儀的主要誤差
12.5.1 穩定誤差
12.5.2 陀螺儀主體運動誤差
12.6 斯伯利·馬剋37型陀螺羅盤
12.7 環形激光陀螺儀
12.8 光縴陀螺
12.9MEMS振動陀螺儀
參考文獻
第13章 無綫電導航
13.1 概述
13.2 無綫電測嚮
13.3 伏爾航空導航
13.4 雷達
13.5 羅蘭-C
13.6 羅蘭-C海圖
13.7 誤差源
13.8 羅蘭-C接收機
13.9 民用接收機
13.10 奧米伽係統
參考文獻
第14章 衛星導航:空間部分
14.1 曆史背景
14.2 GPS:係統設計
14.3 GPS衛星軌道
14.4 軌道攝動
14.5 星載係統
14.6 GPS衛星信號
14.7 最新發展:GPSIⅡ
參考文獻
第15章 衛星導航:控製部分
15.1 引言
15.2 監測站的地理位置
15.3 衛星星曆的確定
15.4 GPS時間協調
15.5 信號傳播速度
參考文獻
第16章 衛星導航:用戶部分
16.1 引言
16.2 GPS接收機
16.3 差分GPS
16.4 GPS-INS組閤
16.5 GPS的應用
16.5.1 測繪和製圖
16.5.2 衛星授時
16.5.3 航空和航海導航
16.5.4 鐵路
16.5.5 農業
16.5.6 地麵交通
16.5 .7安全和救災
16.5.8 體閑娛樂
16.5.9 環境
16.5.10 空間應用
參考文獻
第17章 太空導航
17.1 簡介
17.2 阿波羅計劃
17.3 阿波羅計劃的設計
17.4 遙遠行星的導航:水手號使命
參考文獻
第18章 導航的未來
18.1 引言
18.2 物質波:德布羅意理論24l
18.3 原子乾涉:衍射光柵
18.4卡皮查一狄拉剋效應
18.5 原子乾涉儀
18.6 原子陀螺儀
18.7 銫噴泉頻率標準
18.8 量子計算機
參考文獻
後記
前言/序言
近年來,全球導航和大地測量等領域在精度和實時性方麵均取得瞭革命性的進展。20世紀中葉,“太空徵服”的迅速開展和超穩定原子鍾的發展,推動瞭具有高精度並且可連續全球覆蓋衛星導航係統的實現。在美國,GPS係統(全球定位係統)最初起源並服務於軍事需要,但後來擴展到普通大眾。毋庸置疑,高分辨率GPS係統主要還是為未來軍事之用。其他衛星係統包括歐洲的“伽利略”定位係統、俄羅斯的“格洛納斯”衛星導航係統和中國的“北鬥”。
航天器原子鍾在這些係統中起著關鍵性作用,它可以通過地麵輔助,保持連續的亞微秒級的同步衛星網絡。GPS已經發展成為一種成熟可靠、全球通用的係統,隻需相對便宜的手持接收機便可應用。與掌上無綫通信設備一樣,GPS已滲入到我們的文化之中。技術同化腳步的加快不可避免地拉開瞭公眾的技術理解水平與新技術復雜程度之間的差距。微電子技術的發展和計算機的復雜化降低瞭操作設備時對專業知識的要求,隻需知道按鈕的功能即可。
本書旨在通俗易懂地闡述一些基本原理,深入說明衛星導航係統的設計,同時在正文中通過介紹性章節簡介導航方法的早期發展。本書不是在講導航的曆史,隻是嘗試用史學觀點介紹導航。
本書主要麵嚮大專水平、具備物理和工程方麵基礎的求知非專業人員。它以直觀的方式,廣泛介紹瞭地麵和空間導航演變的相關主題,且較少使用數學公式。前兩章介紹自然界中的導航和古代水手的導航,包括腓尼基人、維京人、太平洋島上居民所用的導航。第3、4章介紹恒星導航、星座及星坐標等要素。第5~7章介紹精密機械計時器,海洋中經度的測定和精密可控石英時鍾最近的發展。第8章總結介紹瞭量子概念,作為討論微波和光與原子之間相互作用的準備知識。有關原子鍾的介紹相當詳細,包括氫微波激射器、銫束、銣電池,以及最新發展的銫噴泉和單離子頻率標準。隨後介紹陀螺羅盤的章節引齣瞭對薩格納剋激光陀螺的討論。從第13章開始介紹有關基於時間的導航:先是基於地麵網絡的“羅蘭C”和“奧米茄”,隨後是基於衛星的係統,包括軌道理論、早期的衛星導航係統SECOR、TRANSIT等;最後推齣瞭全球導航衛星係統——全球定位係統(GPS),該係統是本時代重大技術成就之一。對GPS分三大部分進行介紹:空間、控製和用戶部分。研究人員試圖通過實現超常的協調性和精度,使整個係統正常運作。GPS尤其是差分GPS的應用廣泛,除瞭常見的空中導航、海洋導航和導彈製導,GPS還應用於大地測量、重大工程建設、礦業項目、農業、生態、緊急定位,更不用說高速公路導航。第17章是太空導航的相關內容。第18章討論瞭導航的未來,屆時原子乾涉儀可作為陀螺羅盤使用,銫噴泉作為原子時間標準,最子計算機用來更新衛星星曆。
在此,對為本書的順利完成做齣各種貢獻的人們深錶感謝。
《穿越時空的引航者:從星辰到原子,導航技術的百年徵程》 導言 自古以來,人類從未停止過探索未知、丈量世界的腳步。從仰望星辰,到指引方嚮的燈塔,再到如今精準到厘米的定位,導航技術的發展史,就是一部波瀾壯闊的人類文明進步史。它如同無聲的引航者,穿越時空的迷霧,為人類的遠航、戰爭、貿易乃至日常生活提供瞭不可或缺的支撐。本書將帶領讀者穿越百年的光陰,審視現代導航技術的跌宕起伏,探尋驅動其革新的關鍵力量,並展望它在未來可能開啓的嶄新篇章。 第一章:黎明前的曙光——近代導航的基石(20世紀初 - 20世紀中葉) 在20世紀初,導航的圖景仍由傳統的海洋和航空技術主導。星體導航、地文導航(利用陸地標誌物)以及磁羅盤,構成瞭那個時代最為可靠的導航工具。然而,隨著第一次世界大戰的爆發,對更快速、更精準導航手段的需求日益迫切。 1.1 無綫電導航的萌芽與發展 無綫電技術的問世,為導航帶來瞭革命性的曙光。早期的無綫電導航係統,如NDB(Non-Directional Beacon,無方嚮信標),通過發射固定頻率的無綫電信號,讓飛機和船隻能夠根據信號方嚮進行定位。雖然精度有限,但其在惡劣天氣和夜間條件下提供瞭前所未有的導航能力。 接著,更先進的無綫電測嚮係統應運而生。LCM(Long-Range Control and Monitoring)和VHF/DF(Very High Frequency Direction Finding)等技術,通過接收來自不同方嚮的無綫電信號,計算齣信號源的位置,極大地提高瞭導航的精度和可靠性。特彆是在軍事領域,無綫電導航的優勢得到瞭充分體現,它使得大規模的軍事行動在復雜環境下成為可能。 1.2 慣性導航的初探 盡管無綫電導航在當時已屬尖端,但其對外部信號的依賴性,在麵對乾擾、欺騙甚至信號盲區時顯得尤為脆弱。因此,擺脫外部信號依賴的“自主導航”理念開始萌芽。慣性導航(INS)的概念應運而生。其核心思想是利用陀螺儀和加速度計來測量載體的角速度和加速度,通過積分運算來推算齣載體的位置、速度和姿態。 然而,早期的慣性導航係統受限於傳感器精度和積分誤差纍積,其性能與同期無綫電導航相比仍有差距,且造價高昂,主要應用於對精度要求極高的軍事領域,如潛艇和導彈的製導。盡管如此,慣性導航為未來的自主導航技術奠定瞭堅實的基礎。 1.3 戰場上的導航變革 兩次世界大戰不僅是軍事技術革新的催化劑,也極大地推動瞭導航技術的發展。雷達(RADAR)的發明,最初用於探測敵機和艦船,其衍生的導航應用也日益廣泛。雷達的齣現,使得在任何天氣條件下都能“看見”周圍環境,並據此進行定位和航綫規劃,尤其在海戰和空戰中發揮瞭至關重要的作用。 同時,對陸地目標進行精確定位的需求,也催生瞭三角測量和三角定位等技術在導航中的應用。航空攝影和地圖繪製技術的進步,為導航提供瞭更為精確的地理信息。 第二章:定位的飛躍——衛星導航時代的到來(20世紀中葉 - 21世紀初) 如果說無綫電導航開啓瞭導航的新紀元,那麼衛星導航則將人類的定位能力提升到瞭一個前所未有的高度。 2.1 GPS的誕生與全球普及 冷戰時期,為瞭滿足軍事偵察和戰略部署的需要,美國國防部啓動瞭“導航星”(NAVSTAR)計劃,即全球定位係統(GPS)的前身。從最初的試驗衛星到逐步完善的星座部署,GPS係統以其全球覆蓋、高精度、全天候的特點,迅速展現齣巨大的軍事和民用潛力。 1983年,美國總統宣布GPS係統對民用開放,這標誌著一個全新的時代——全球衛星導航係統(GNSS)時代的開啓。GPS的齣現,徹底改變瞭導航的格局。從遠洋航行到航空運輸,從地麵車輛到個人徒步,GPS信號幾乎無處不在。其應用範圍也從最初的軍事領域,迅速滲透到交通運輸、地質勘探、農林業、救災救援、城市規劃等各個方麵,深刻地改變瞭人們的生活和工作方式。 2.2 其他GNSS係統的崛起 隨著GPS的成功,其他國傢和地區也紛紛著手發展自己的衛星導航係統。俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)、歐洲的伽利略(Galileo)以及中國的北鬥(BeiDou)等係統相繼問世,形成瞭多星座並存的局麵。多星座係統的互操作性和兼容性,進一步提高瞭導航的可靠性和精度,尤其是在城市峽榖、高原等衛星信號易受遮擋的地區,多係統融閤導航的優勢尤為突齣。 2.3 慣性導航與衛星導航的融閤 盡管衛星導航功能強大,但其信號易受乾擾、易受欺騙的弱點依然存在。為瞭剋服這些不足,將慣性導航係統(INS)與衛星導航係統(GNSS)進行融閤,成為提高導航性能的必然選擇。INS可以提供連續、穩定的短期定位信息,而GNSS則提供精確的長期絕對定位。兩者結閤,可以有效地彌補對方的不足,實現更穩定、更精確、更可靠的導航。這種“緊組閤”和“鬆組閤”的融閤技術,成為現代高精度導航係統的核心。 2.4 差分技術與高精度定位 為瞭滿足一些對定位精度要求極高的行業需求,如土地測量、精密農業、自動駕駛等,差分技術應運而生。差分GPS(DGPS)通過在地麵建立參考站,接收GPS信號並計算其誤差,然後將修正信息實時發送給用戶終端,從而將定位精度從米級提升到亞米級甚至厘米級。 隨後,隨著RTK(Real-Time Kinematic,實時動態差分)等技術的發展,使得厘米級甚至毫米級的實時高精度定位成為可能。這些技術的進步,為自動駕駛、無人機導航、機器人協作等前沿應用奠定瞭堅實的基礎。 第三章:未來已來——新技術的孕育與展望 在衛星導航技術日益成熟的今天,導航技術的探索從未止步。新的技術理念和前沿科學正在為導航的未來描繪著更加激動人心的藍圖。 3.1 挑戰與突破:量子技術悄然崛起 然而,即使是先進的衛星導航係統,也並非完美無缺。信號乾擾、信號欺騙、以及在深海、地下、太空等極端環境下無法獲得信號的問題,始終是導航領域麵臨的挑戰。正是在這樣的背景下,一種前所未有的導航理念——量子導航,開始顯露其巨大的潛力。 與傳統的導航技術依賴外部信號或慣性測量不同,量子導航的核心在於利用量子力學的原理,通過測量量子係統(如原子、量子傳感器)的狀態來推斷載體的運動信息。這種導航方式具有以下顛覆性的優勢: 自主性極高: 量子導航無需依賴任何外部信號,完全自主運行,不受任何外部乾擾或欺騙的影響。 高精度與穩定性: 量子傳感器的精度遠超傳統傳感器,且對環境變化不敏感,能夠提供極其精確和穩定的測量結果。 不受環境限製: 能夠在GPS信號無法到達的深海、地下、室內、太空等環境中實現可靠導航。 3.2 量子導航的關鍵技術 量子導航並非單一的技術,而是多個量子技術的融閤與應用,其中核心的技術包括: 原子鍾與原子乾涉儀: 高精度的原子鍾是實現精確時空測量的基礎,而原子乾涉儀則可以利用原子的量子疊加態和乾涉效應,實現對加速度和角速度的超高精度測量。 量子傳感器: 基於量子效應的傳感器,如量子磁力計、量子引力儀等,能夠以前所未有的靈敏度測量環境中的物理量,為導航提供新的信息維度。 量子陀螺儀: 利用量子效應實現的量子陀螺儀,能夠比傳統的機械陀螺儀提供更高的精度和更低的漂移,成為未來慣性導航係統的理想選擇。 3.3 量子導航的潛在應用場景 一旦量子導航技術成熟並實現商業化,其應用前景將是極其廣闊的: 軍事領域: 在不依賴GPS的情況下,實現潛艇、無人機、高超音速飛行器等的隱蔽、精準導航,打破傳統偵察和反偵察的平衡。 深海探索: 為深海潛航器提供精確的定位,使得深海科學研究和資源勘探的範圍和深度得以拓展。 地下與室內導航: 為地下礦井、隧道、大型建築群、以及無人倉儲等提供可靠的定位,實現無人化作業和高效率管理。 航空與航天: 在GPS信號中斷的太空任務、行星際探索中,提供高精度的自主導航。 自動駕駛: 結閤其他傳感器,實現更安全、更可靠的自動駕駛,尤其是在GPS信號受限的城市環境中。 3.4 挑戰與未來展望 盡管量子導航展現齣巨大的潛力,但其發展仍處於早期階段。量子傳感器的集成化、小型化、以及成本的降低,仍然是亟待解決的技術難題。同時,將這些復雜的量子係統集成到實際的導航載體中,並與現有導航係統進行協同工作,也需要大量的研發投入和技術創新。 然而,科學的進步總是伴隨著挑戰與機遇。隨著量子計算、量子通信等領域的飛速發展,量子技術的整體成熟度不斷提高,為量子導航的實現提供瞭越來越有利的條件。可以預見,在不久的將來,量子技術將不再僅僅是實驗室裏的奇跡,而是真正成為我們探索世界、指引方嚮的強大力量,引領我們邁嚮一個更加自主、精準、無限可能的導航新時代。 結語 從仰望星空到觸碰原子,導航技術的演進史,是人類智慧不斷突破邊界的生動寫照。每一個時代的導航技術,都曾是那個時代最尖端的科技結晶,都曾為人類的進步貢獻瞭不可磨滅的力量。如今,量子技術的崛起,正預示著導航領域即將迎來又一次深刻的變革。這場變革,將帶領我們超越既有的局限,開啓一個更加廣闊、更加自由的導航新紀元,讓“何處去”的答案,永遠清晰而堅定。