书城科普读物你一定想知道,发明探索卷
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第6章 科技发明发现(5)

蜂窝网络主要由以下三部分组成移动站、基站子系统网络子系统。移动站即网络终端设备,比如手机或者一些蜂窝工控设备。基站子系统包括常见的移动机站、无线收发设备、专用网络(一般是光纤)、数字设备等。网络子系统由移动交换中心和操作维护中心以及原地位置寄存器、访问位置寄存器、鉴权中心和设备标志寄存器等组成。

蓝色技术

蓝牙是东芝、爱立信,IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。实际上就是取代数据电缆的短距离无线通信技术,通过低带宽电波实现点对点、点对多点的信息交流。这种网络模式也被称为“私人空间网络”,是以多个微网络或精致的蓝牙主控器与附属器构建的迷你网络为基础的。蓝牙主要用于短距离数据和语音传输功耗非常低同时能连接许多元件传输速度极快。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范,是一种低成本、短距离的无线连接技术。

全球定似系统

战国时期,我国发明了指南针,从此它便被广泛应用于航海中,以辨别方向,不久,指南针传到国外,也备受欢迎。1000多年过去了,科技越来越发达,指南针被更先进的仪器所代替,它就是神通广大的全球定位系统。

全球定位系统的英文名字是“Global Position System”,简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统它能测出地球上任意一点的精确坐标包括精确的时间、经度、纬度和误差在1米之内的速度定位,GPS系统代替了古老的指南针被人们赞誉为“电子指南针”。

GPS全球定位系统是继“阿波罗登月飞船和”和“航天飞机”之后美国第三大航天工程。美国国防部投资200亿美元花了近20年时间来研制它。专门为配合飞机、导弹、船只和士兵运动的军用定位和导航系统,是目前世界上最先进的卫星导航系统。GPS全球定位的成功研制和使用把传统的导航定位技术一下推进到了电子信息导航的新时代。

GPS系统主要由3大部分组成,它们是导航卫星地面监控站和GPS用户接收机。导航卫星由24颗卫星组成一个卫星星座,均匀地分布在围绕地球的6个轨道平面上,与地球同步运行其中21颗是工作卫星,3颗为备份卫星,地球上任意一个地方至少能同时观测到4颗卫星。在20810千米的高空,每颗卫星上都装有7万年误差不超过1秒的原子钟和一台遥测发射机。它把有关卫星的遥测数据发向地球,同时也把来自地球的与导航定位有关的各种信息接收进去。地面监控站承担对卫星发射和导航信号的观测任务,由设在科罗拉多斯平士的联合空间执行中心的主控站和3个分设在大西洋印度洋和太平洋美军基地的注入站,监测站组成并将计算机中各颗卫星的星历和导航电文发射到卫星上,把卫星上的导航数据进行更新。GPS用户接收机则由天线接收器数据处理器和显示屏组成,外形就像一台重量仅有800克的小型计算器。它是一台多信道单向接收设备能够24小时不间断地提供全球定位服务。同时,它的性能非常好,既能抗振动、抗湿气抗沙暴又能抗电磁干扰。经过改良,目前GPS军用定位精确度已经达1米。

1991年美国部队把7000多台GPS接收机运用在海湾战争中。飞机、坦克导弹在GPS的导航下弹无虚发命中率大大提高,从而使得大片的伊拉克固定或移动军事目标像一个个棋子一样落入美军计划好的棋盘中。

全世界的军事专家通过海湾战争都认识到GPS系统的神奇威力,一些国家纷纷制订计划,准备配备GPS系统来提高自己的战斗力。而美国五角大楼则制定了内外有别的GPs政策只应用在美国及盟国的军事部门和特许的民用部门,为精密定位,服务使用P码,定位精度约1~3米。对外向全世界开放标准定位服务使用c/A定位精度100米左右的误差是故意制造的,显而易见美国是害怕其他国家在GPS系统方面的发展会威胁和削弱它的霸主地位。

标准定位服务被广泛应用在海洋捕鱼,海洋船队监控远洋轮船导航飞机导航地质勘探等工作中,由于标准定位误差很大,在工作过程中常常造成不必要的损失,于是静态的测地型GPS接收机应运而生把固定物体的定位精度提高到10(-6次方)~10(-8次方)。紧接着又研究出动态差分GPS接收技术,把物体在运动状态下的定位精度从100米提高到1厘米。所谓差分GPS系统就是固定的卫星基准站进行GPS观测。通过已知的基准站精密坐标,把基准站到卫星的真正距离计算出来,再修正接收到的GPS误差定位信息并发送出去。用户把定位信息和修正数值,起接收再对误差信号进行修正,计算出用户的精确位置。从此,像标准定位服务那样出现的误差几乎没有了。

差分GPS最早应用在海洋和内河航运方面。我国海岸线辽阔航运事业发达每天进进出出的远洋船舶和各国的远洋货轮繁多,非常需要准确的导航。在海面能见度很低时,船舶的导航尤为重要,现在只要把GPS接收机安装在船舶驾驶舱进行差分GPS定位,自动导航就实现了,

最近几年GPS还被活跃地应用在地面车辆的定位监控上。我国公安部门和科技单位合作,成功地开发出为银行运钞车监控用的车载GPS定位跟踪系统。他们把GPS系统与电子地图地理信息系统以及集群无线通信系统相结合使得该系统能同时监控75辆银行运钞车和50辆警车,系统监控能力达600辆。

这样运钞车在工作时就安全多了,不论出现什么情况,都会及时地采取措施。出租车的客运调度、工程抢修车、特快专递车城市急救车、消防车等都可以运用车载GPS系统来提高工作效率。GPS与电子地图相结合,成为计算机化的电子地图,使汽车驾驶员轻而易举地知道自己在哪里成了“永不迷珞”的向导。把GPS汽车导航系统与移动电话结合使用,能够访问因特网上一些Web站。它的内容与导航密切相关,能让你在很短时间内了解你所处的环境,以及所需要的服务信息。

令人难以置信的是,GPS系统能对农作物的精耕细作起到极大的推动作用。运用了GPS全球卫星定位系统接收器,一位农民能够改变千百年来日耕夜息的习惯,在农作物生长最旺盛的夜晚工作而毫无差错。在21世纪全球卫星定位系统将被安装在自来水管道煤气管道、通信线路和电力网上。到时,无论哪条管线发生故障,服务部门的人员都会及时发现并且迅速赶到出故障地点去排除。83秒的接警反应记录就是美国利用全球卫星系统首创的,目前,我国地质测绘,航空拍照,飞机导航、防治虫害长途运输无线寻呼等领域也应用了GPS。

全球定位系统已渐渐地在生活的各个方面被运用,它就像一个电子指南针一样,给人们的生活和工作带来了很多方便。

超导材料

我们日常生活中使用的所有物质都具有电阻,这是一般的常识。但是,当物体的温度降低到绝对零度(零下273,15摄氏度)附近时,其电阻会变成零。这就是超导现象。你能想象这种现象的发现会给世界带来什么影响吗?

1911年荷兰莱顿大学的卡茂林·昂尼斯意外地发现将汞冷却到零下268.98摄氏度时,汞的电阻突然消失,后来他又发现许多金属和合金都具有与汞相类似的在超低温下失去电阻的特性,他把金属和合金失去电阻的状态称为超导态这一发现引起了世界范围内的震动。

在卡茂林之后,人们开始把处于超导状态的导体称为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失被称做零电阻效应。导体没有了电阻电流过时就不发生热损耗,可以毫无阻碍地在导线中传导,并产生超强磁场。

由于超导体没有电阻,在电流流过时就不会因为发热而损失电能,因此采用超导电线可以实现远距离无损耗输电减少能源浪费。超导体中每平方厘米可以流过几十万安培的强大电流,因而可产生很强的磁场。用超导体制成的超导发电机的功率可比目前的发电机高100倍以上。超导磁悬浮列车的时速已达550千米。高速超导电子计算机的计算速度可达每秒几百亿次以上。目前,世界各国都把超导体研究列为重点攻关项目,超导体很有可能为我们带来“第四次科技革命”。

20世纪80年代后期,科学家发现了一种陶瓷合金,它在零下238摄氏度时可出现超导现象,目前科学家正在寻找一种高温超导材料甚至一种室温超导材料。一旦找到这些材料人们可以利用它们制成超导开关器件和超导存储器再利用这些器件制成超导计算机超导计算机的运算速度将是现在电子计算机的100倍而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。目前制成的超导开关器件的开关速度已达到几千秒(10—12秒)的高水平这是当今所有电子,半导体光电器件都无法企及的。

纳米技术

1959年,诺贝尔奖获得者,美国物理学家查德·费因曼曾经提出:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产生怎样的奇迹?”随着纳米材料科学的出现、发展与完善,这一设想很快变成了现实。

什么是纳米材料

纳米级结构材料简称为纳米材料其结构单元的尺寸介于1至100纳米范围之问,由于纳米材料的尺寸已经接近电子的相干长度其性质因为强相干所带来的自组织发生了很大变化。并且其尺度已接近可见光的波长,加上大表面的特点它所表现的特性往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。在现有的科学水平上纳米材料的制备基本上分成两个阶段。首先是纳米颗粒的制备,其次是保持这些纳米颗粒在没有受到污染的条件下用高压特其压缩成纳米固体。

隐身材料

由于纳米微粒尺寸远远小于红外线及雷达波波长因此纳米微粒材料对这些波的透过率比常规材料要强得多。这就大大减少了波的反射率使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱。再者纳米微粒材料的表面积比常规粗粉大3至4个数量级,对红外光和雷达波的吸收率也比常规材料大得多这就使得红外探测器极雷达得到的反射信号强度大大降低结合以上两个方面用纳米微粒材料制得的机械装置,很难被红外探测器和雷达发现,从而达到隐身的目的。隐身材料在许多方面都有广阔的应用前景但当前大多被用在航空航天以及与军事密切相关的部件制造上。

纳米机器人

纳米机器人正在科学家的精心设计之中。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统有机结合的产物。将这种微型机器人注入人体血管内,它们就可以做全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,甚至还能消灭病毒杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接用原子、分子装配成的有一定功能的纳米装置,它们具有可以自我调节的转换程序并能生产人体所需的蛋白质。第三代纳米机器人将是含有纳米电子计算机的,可以实现人机对话并有自身复制能力的纳米装置。那时,人类的劳动方式将彻底改变。