内容简介
《现代导航的演进:量子技术的兴起/高新科技译丛》旨在通俗易懂地阐述一些基本原理,深入说明卫星导航系统的设计,同时在正文中通过介绍性章节简介导航方法的早期发展。《现代导航的演进:量子技术的兴起/高新科技译丛》不是在讲导航的历史,只是尝试用史学观点介绍导航。
《现代导航的演进:量子技术的兴起/高新科技译丛》主要面向大专水平、具备物理和工程方面基础的求知非专业人员。它以直观的方式,广泛介绍了地面和空间导航演变的相关主题,且较少使用数学公式。前两章介绍自然界中的导航和古代水手的导航,包括腓尼基人、维京人、太平洋岛上居民所用的导航。第3、4章介绍恒星导航、星座及星坐标等要素。第5~7章介绍精密机械计时器,海洋中经度的测定和精密可控石英时钟最近的发展。第8章总结介绍了量子概念,作为讨论微波和光与原子之间相互作用的准备知识。有关原子钟的介绍相当详细,包括氢微波激射器、铯束、铷电池,以及新发展的铯喷泉和单离子频率标准。随后介绍陀螺罗盘的章节引出了对萨格纳克激光陀螺的讨论。从第13章开始介绍有关基于时间的导航:先是基于地面网络的“罗兰C”和“奥米茄”,随后是基于卫星的系统,包括轨道理论、早期的卫星导航系统SECOR、TRANSIT等;最后推出了全球导航卫星系统——全球定位系统(GPS),该系统是本时代重大技术成就之一。对GPS分三大部分进行介绍:空间、控制和用户部分。研究人员试图通过实现超常的协调性和精度,使整个系统正常运作。GPS尤其是差分GPS的应用广泛,除了常见的空中导航、海洋导航和导弹制导,GPS还应用于大地测量、重大工程建设、矿业项目、农业、生态、紧急定位,更不用说高速公路导航。第17章是太空导航的相关内容。第18章讨论了导航的未来,届时原子干涉仪可作为陀螺罗盘使用,铯喷泉作为原子时间标准,子计算机用来更新卫星星历。
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目录
第1章 自然界中的导航
1.1 动物导航
1.2 通过太阳确定方向
1.3 通过星星确定方向
1.4 磁场定向
1.5 风和气流
1.6 电场定向
1.7 信鸽
1.8 帝王蝶
1.9 长距离迁徙的鸟类
1.10 太平洋鲑鱼
1.11 人类的导航
参考文献
第2章 早期的导航
2.1 沙漠游牧民族
2.2 太平洋中的航海家
2.3 星象罗盘
2.4 腓尼基人
2.5 维京人
2.6 古代的仪器
2.6.1 日晷和夜行仪
2.6.2 磁罗盘
2.6.3 沙漏
2.6.4 拖板计程仪和拖曳式计程仪
2.6.5 戴维斯象限仪
2.6.6 星盘
参考文献
第3章 天文学的历史背景
3.1 古代天文学
3.2 伊斯兰天文学
3.3 欧洲天文学家
3.4 艾萨克·牛顿
参考文献
第4章 现代天文学的要素
4.1 行星地球
4.2 月球和行星
4.3 内行星
4.4 外行星
4.5 恒星
4.6 星座
参考文献
第5章 海洋导航
5.1 地理坐标
5.2 天文坐标系
5.3 时间系统
5.4 导航三角形
5.5 截距法
5.6 导航三角形的表格解
5.7 月球距离法
5.8 六分仪
5.9 磁罗盘
参考文献
第6章 经度问题
6.1 早期时钟
6.2 机械钟
6.3 弹簧平衡轮钟
6.4 现代精密计时表
参考文献
第7章 石英革命
7.1 历史背景
7.2 石英晶体
7.3 X射线晶体学
7.4 人造石英晶体
7.5 石英谐振器
7.6 石英谐振器作为电路元件
7.7 振荡器稳定性
参考文献
第8章 经典原子钟
8.1 量子力学术语
8.2 薛定谔方程
8.3 原子结构
8.4 原子光谱
8.5 超精细相互作用
8.6 铷标准
8.7 铯标准
参考文献
第9章 原子和分子振荡器
9.1 氨微波激射器
9.2 铷微波激射器
9.3 氢微波激射器
9.4 相关电子
9.5 氢微波激射器的性能
参考文献
第10章 离子场约束
10.1 引言
10.2 潘宁阱
10.3 保罗阱
10.4 囚禁离子频谱学
10.5 近期进展:囚禁单个离子
参考文献
第11章 光频振荡器:激光
11.1 简介
11.2 光腔
11.3 光放大
11.4 激光输出功率
11.5 激光输出波谱
11.6 气体激光系统
11.6.1 氦一氖激光器
11.6.2 氩离子激光器
11.7 半导体激光器
11.8 晶体固体激光器
11.8.1 红宝石激光器
11.8.2 Nd3+YAG激光器
11.8.3 Ti3+:蓝宝石激光器
11.9 激光冷却原子
参考文献
第12章 机械陀螺罗盘
12.1 陀螺运动
12.2 在旋转的地球上运动
12.3 陀螺罗盘的控制
12.4 陀螺振荡的阻尼
12.5 陀螺仪的主要误差
12.5.1 稳定误差
12.5.2 陀螺仪主体运动误差
12.6 斯伯利·马克37型陀螺罗盘
12.7 环形激光陀螺仪
12.8 光纤陀螺
12.9MEMS振动陀螺仪
参考文献
第13章 无线电导航
13.1 概述
13.2 无线电测向
13.3 伏尔航空导航
13.4 雷达
13.5 罗兰-C
13.6 罗兰-C海图
13.7 误差源
13.8 罗兰-C接收机
13.9 民用接收机
13.10 奥米伽系统
参考文献
第14章 卫星导航:空间部分
14.1 历史背景
14.2 GPS:系统设计
14.3 GPS卫星轨道
14.4 轨道摄动
14.5 星载系统
14.6 GPS卫星信号
14.7 最新发展:GPSIⅡ
参考文献
第15章 卫星导航:控制部分
15.1 引言
15.2 监测站的地理位置
15.3 卫星星历的确定
15.4 GPS时间协调
15.5 信号传播速度
参考文献
第16章 卫星导航:用户部分
16.1 引言
16.2 GPS接收机
16.3 差分GPS
16.4 GPS-INS组合
16.5 GPS的应用
16.5.1 测绘和制图
16.5.2 卫星授时
16.5.3 航空和航海导航
16.5.4 铁路
16.5.5 农业
16.5.6 地面交通
16.5 .7安全和救灾
16.5.8 体闲娱乐
16.5.9 环境
16.5.10 空间应用
参考文献
第17章 太空导航
17.1 简介
17.2 阿波罗计划
17.3 阿波罗计划的设计
17.4 遥远行星的导航:水手号使命
参考文献
第18章 导航的未来
18.1 引言
18.2 物质波:德布罗意理论24l
18.3 原子干涉:衍射光栅
18.4卡皮查一狄拉克效应
18.5 原子干涉仪
18.6 原子陀螺仪
18.7 铯喷泉频率标准
18.8 量子计算机
参考文献
后记
前言/序言
近年来,全球导航和大地测量等领域在精度和实时性方面均取得了革命性的进展。20世纪中叶,“太空征服”的迅速开展和超稳定原子钟的发展,推动了具有高精度并且可连续全球覆盖卫星导航系统的实现。在美国,GPS系统(全球定位系统)最初起源并服务于军事需要,但后来扩展到普通大众。毋庸置疑,高分辨率GPS系统主要还是为未来军事之用。其他卫星系统包括欧洲的“伽利略”定位系统、俄罗斯的“格洛纳斯”卫星导航系统和中国的“北斗”。
航天器原子钟在这些系统中起着关键性作用,它可以通过地面辅助,保持连续的亚微秒级的同步卫星网络。GPS已经发展成为一种成熟可靠、全球通用的系统,只需相对便宜的手持接收机便可应用。与掌上无线通信设备一样,GPS已渗入到我们的文化之中。技术同化脚步的加快不可避免地拉开了公众的技术理解水平与新技术复杂程度之间的差距。微电子技术的发展和计算机的复杂化降低了操作设备时对专业知识的要求,只需知道按钮的功能即可。
本书旨在通俗易懂地阐述一些基本原理,深入说明卫星导航系统的设计,同时在正文中通过介绍性章节简介导航方法的早期发展。本书不是在讲导航的历史,只是尝试用史学观点介绍导航。
本书主要面向大专水平、具备物理和工程方面基础的求知非专业人员。它以直观的方式,广泛介绍了地面和空间导航演变的相关主题,且较少使用数学公式。前两章介绍自然界中的导航和古代水手的导航,包括腓尼基人、维京人、太平洋岛上居民所用的导航。第3、4章介绍恒星导航、星座及星坐标等要素。第5~7章介绍精密机械计时器,海洋中经度的测定和精密可控石英时钟最近的发展。第8章总结介绍了量子概念,作为讨论微波和光与原子之间相互作用的准备知识。有关原子钟的介绍相当详细,包括氢微波激射器、铯束、铷电池,以及最新发展的铯喷泉和单离子频率标准。随后介绍陀螺罗盘的章节引出了对萨格纳克激光陀螺的讨论。从第13章开始介绍有关基于时间的导航:先是基于地面网络的“罗兰C”和“奥米茄”,随后是基于卫星的系统,包括轨道理论、早期的卫星导航系统SECOR、TRANSIT等;最后推出了全球导航卫星系统——全球定位系统(GPS),该系统是本时代重大技术成就之一。对GPS分三大部分进行介绍:空间、控制和用户部分。研究人员试图通过实现超常的协调性和精度,使整个系统正常运作。GPS尤其是差分GPS的应用广泛,除了常见的空中导航、海洋导航和导弹制导,GPS还应用于大地测量、重大工程建设、矿业项目、农业、生态、紧急定位,更不用说高速公路导航。第17章是太空导航的相关内容。第18章讨论了导航的未来,届时原子干涉仪可作为陀螺罗盘使用,铯喷泉作为原子时间标准,最子计算机用来更新卫星星历。
在此,对为本书的顺利完成做出各种贡献的人们深表感谢。
《穿越时空的引航者:从星辰到原子,导航技术的百年征程》 导言 自古以来,人类从未停止过探索未知、丈量世界的脚步。从仰望星辰,到指引方向的灯塔,再到如今精准到厘米的定位,导航技术的发展史,就是一部波澜壮阔的人类文明进步史。它如同无声的引航者,穿越时空的迷雾,为人类的远航、战争、贸易乃至日常生活提供了不可或缺的支撑。本书将带领读者穿越百年的光阴,审视现代导航技术的跌宕起伏,探寻驱动其革新的关键力量,并展望它在未来可能开启的崭新篇章。 第一章:黎明前的曙光——近代导航的基石(20世纪初 - 20世纪中叶) 在20世纪初,导航的图景仍由传统的海洋和航空技术主导。星体导航、地文导航(利用陆地标志物)以及磁罗盘,构成了那个时代最为可靠的导航工具。然而,随着第一次世界大战的爆发,对更快速、更精准导航手段的需求日益迫切。 1.1 无线电导航的萌芽与发展 无线电技术的问世,为导航带来了革命性的曙光。早期的无线电导航系统,如NDB(Non-Directional Beacon,无方向信标),通过发射固定频率的无线电信号,让飞机和船只能够根据信号方向进行定位。虽然精度有限,但其在恶劣天气和夜间条件下提供了前所未有的导航能力。 接着,更先进的无线电测向系统应运而生。LCM(Long-Range Control and Monitoring)和VHF/DF(Very High Frequency Direction Finding)等技术,通过接收来自不同方向的无线电信号,计算出信号源的位置,极大地提高了导航的精度和可靠性。特别是在军事领域,无线电导航的优势得到了充分体现,它使得大规模的军事行动在复杂环境下成为可能。 1.2 惯性导航的初探 尽管无线电导航在当时已属尖端,但其对外部信号的依赖性,在面对干扰、欺骗甚至信号盲区时显得尤为脆弱。因此,摆脱外部信号依赖的“自主导航”理念开始萌芽。惯性导航(INS)的概念应运而生。其核心思想是利用陀螺仪和加速度计来测量载体的角速度和加速度,通过积分运算来推算出载体的位置、速度和姿态。 然而,早期的惯性导航系统受限于传感器精度和积分误差累积,其性能与同期无线电导航相比仍有差距,且造价高昂,主要应用于对精度要求极高的军事领域,如潜艇和导弹的制导。尽管如此,惯性导航为未来的自主导航技术奠定了坚实的基础。 1.3 战场上的导航变革 两次世界大战不仅是军事技术革新的催化剂,也极大地推动了导航技术的发展。雷达(RADAR)的发明,最初用于探测敌机和舰船,其衍生的导航应用也日益广泛。雷达的出现,使得在任何天气条件下都能“看见”周围环境,并据此进行定位和航线规划,尤其在海战和空战中发挥了至关重要的作用。 同时,对陆地目标进行精确定位的需求,也催生了三角测量和三角定位等技术在导航中的应用。航空摄影和地图绘制技术的进步,为导航提供了更为精确的地理信息。 第二章:定位的飞跃——卫星导航时代的到来(20世纪中叶 - 21世纪初) 如果说无线电导航开启了导航的新纪元,那么卫星导航则将人类的定位能力提升到了一个前所未有的高度。 2.1 GPS的诞生与全球普及 冷战时期,为了满足军事侦察和战略部署的需要,美国国防部启动了“导航星”(NAVSTAR)计划,即全球定位系统(GPS)的前身。从最初的试验卫星到逐步完善的星座部署,GPS系统以其全球覆盖、高精度、全天候的特点,迅速展现出巨大的军事和民用潜力。 1983年,美国总统宣布GPS系统对民用开放,这标志着一个全新的时代——全球卫星导航系统(GNSS)时代的开启。GPS的出现,彻底改变了导航的格局。从远洋航行到航空运输,从地面车辆到个人徒步,GPS信号几乎无处不在。其应用范围也从最初的军事领域,迅速渗透到交通运输、地质勘探、农林业、救灾救援、城市规划等各个方面,深刻地改变了人们的生活和工作方式。 2.2 其他GNSS系统的崛起 随着GPS的成功,其他国家和地区也纷纷着手发展自己的卫星导航系统。俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、欧洲的伽利略(Galileo)以及中国的北斗(BeiDou)等系统相继问世,形成了多星座并存的局面。多星座系统的互操作性和兼容性,进一步提高了导航的可靠性和精度,尤其是在城市峡谷、高原等卫星信号易受遮挡的地区,多系统融合导航的优势尤为突出。 2.3 惯性导航与卫星导航的融合 尽管卫星导航功能强大,但其信号易受干扰、易受欺骗的弱点依然存在。为了克服这些不足,将惯性导航系统(INS)与卫星导航系统(GNSS)进行融合,成为提高导航性能的必然选择。INS可以提供连续、稳定的短期定位信息,而GNSS则提供精确的长期绝对定位。两者结合,可以有效地弥补对方的不足,实现更稳定、更精确、更可靠的导航。这种“紧组合”和“松组合”的融合技术,成为现代高精度导航系统的核心。 2.4 差分技术与高精度定位 为了满足一些对定位精度要求极高的行业需求,如土地测量、精密农业、自动驾驶等,差分技术应运而生。差分GPS(DGPS)通过在地面建立参考站,接收GPS信号并计算其误差,然后将修正信息实时发送给用户终端,从而将定位精度从米级提升到亚米级甚至厘米级。 随后,随着RTK(Real-Time Kinematic,实时动态差分)等技术的发展,使得厘米级甚至毫米级的实时高精度定位成为可能。这些技术的进步,为自动驾驶、无人机导航、机器人协作等前沿应用奠定了坚实的基础。 第三章:未来已来——新技术的孕育与展望 在卫星导航技术日益成熟的今天,导航技术的探索从未止步。新的技术理念和前沿科学正在为导航的未来描绘着更加激动人心的蓝图。 3.1 挑战与突破:量子技术悄然崛起 然而,即使是先进的卫星导航系统,也并非完美无缺。信号干扰、信号欺骗、以及在深海、地下、太空等极端环境下无法获得信号的问题,始终是导航领域面临的挑战。正是在这样的背景下,一种前所未有的导航理念——量子导航,开始显露其巨大的潜力。 与传统的导航技术依赖外部信号或惯性测量不同,量子导航的核心在于利用量子力学的原理,通过测量量子系统(如原子、量子传感器)的状态来推断载体的运动信息。这种导航方式具有以下颠覆性的优势: 自主性极高: 量子导航无需依赖任何外部信号,完全自主运行,不受任何外部干扰或欺骗的影响。 高精度与稳定性: 量子传感器的精度远超传统传感器,且对环境变化不敏感,能够提供极其精确和稳定的测量结果。 不受环境限制: 能够在GPS信号无法到达的深海、地下、室内、太空等环境中实现可靠导航。 3.2 量子导航的关键技术 量子导航并非单一的技术,而是多个量子技术的融合与应用,其中核心的技术包括: 原子钟与原子干涉仪: 高精度的原子钟是实现精确时空测量的基础,而原子干涉仪则可以利用原子的量子叠加态和干涉效应,实现对加速度和角速度的超高精度测量。 量子传感器: 基于量子效应的传感器,如量子磁力计、量子引力仪等,能够以前所未有的灵敏度测量环境中的物理量,为导航提供新的信息维度。 量子陀螺仪: 利用量子效应实现的量子陀螺仪,能够比传统的机械陀螺仪提供更高的精度和更低的漂移,成为未来惯性导航系统的理想选择。 3.3 量子导航的潜在应用场景 一旦量子导航技术成熟并实现商业化,其应用前景将是极其广阔的: 军事领域: 在不依赖GPS的情况下,实现潜艇、无人机、高超音速飞行器等的隐蔽、精准导航,打破传统侦察和反侦察的平衡。 深海探索: 为深海潜航器提供精确的定位,使得深海科学研究和资源勘探的范围和深度得以拓展。 地下与室内导航: 为地下矿井、隧道、大型建筑群、以及无人仓储等提供可靠的定位,实现无人化作业和高效率管理。 航空与航天: 在GPS信号中断的太空任务、行星际探索中,提供高精度的自主导航。 自动驾驶: 结合其他传感器,实现更安全、更可靠的自动驾驶,尤其是在GPS信号受限的城市环境中。 3.4 挑战与未来展望 尽管量子导航展现出巨大的潜力,但其发展仍处于早期阶段。量子传感器的集成化、小型化、以及成本的降低,仍然是亟待解决的技术难题。同时,将这些复杂的量子系统集成到实际的导航载体中,并与现有导航系统进行协同工作,也需要大量的研发投入和技术创新。 然而,科学的进步总是伴随着挑战与机遇。随着量子计算、量子通信等领域的飞速发展,量子技术的整体成熟度不断提高,为量子导航的实现提供了越来越有利的条件。可以预见,在不久的将来,量子技术将不再仅仅是实验室里的奇迹,而是真正成为我们探索世界、指引方向的强大力量,引领我们迈向一个更加自主、精准、无限可能的导航新时代。 结语 从仰望星空到触碰原子,导航技术的演进史,是人类智慧不断突破边界的生动写照。每一个时代的导航技术,都曾是那个时代最尖端的科技结晶,都曾为人类的进步贡献了不可磨灭的力量。如今,量子技术的崛起,正预示着导航领域即将迎来又一次深刻的变革。这场变革,将带领我们超越既有的局限,开启一个更加广阔、更加自由的导航新纪元,让“何处去”的答案,永远清晰而坚定。