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英国科学家利用微型雷达跟踪 小蜜蜂

  英国科学家赖利等人研发了一种能粘在蜜蜂背上的微型雷达跟踪系统,并用它追踪了蜜蜂的整个采蜜过程。他们发现蜜蜂确实能够读懂舞蹈中所包含的编码信息,而且在飞向目标的过程中也不会受风向变化的影响。该发现刊登在最新一期的《自然》杂志上,打消了科学界长久以来关于蜜蜂舞蹈语言的争议。 

  蜜蜂是人类最喜爱的昆虫之一,人们常常为它的勤劳感叹不已。奥地利生物学家弗里施自1915年开始与其学生和同事对蜜蜂进行了50多年的试验研究,认为蜜蜂之所以能够有条不紊、迅速而敏捷地采到花蜜是因为它可通过舞蹈语言相互交流。蜜蜂可以用舞蹈方式指示它的同伴食源的质量、距离和方位。这个研究还让弗里施在1973年获得了诺贝尔奖。 

蜜蜂真的用圆圈舞蹈或“8字舞”来指示蜜源? 

  弗里施的研究指出,大批工蜂出巢采蜜前先派出“侦察蜂”去寻找蜜源。这些“侦察员”一旦发现了有利的采蜜地点或新的优质蜜源植物,它们就会变成采集蜂,并飞回蜂巢跳上一支圆圈舞蹈或“8”字形舞蹈来指出食物的所在地,并以舞蹈的速度表示蜂巢到蜜源之间的距离,还以附在身上的花粉的味道告知食物的种类,通知大家一块儿去采蜜。侦察蜂找到距蜂箱100米以内的蜜源时,即回巢报信,除留有追踪信息外,还在蜂巢上交替性地向左或向右转着小圆圈,以“圆舞”的方式爬行。 

  如果蜜源在距蜂箱百米以外,侦察蜂便改变舞姿,呈“∞”字,所以也叫“8字舞”或“摆尾舞”。如果将全部爬行路线相连,直线爬行的时间越长,表示距离蜜源越远。直线爬行持续1秒钟,表示距离蜜源约500米;持续2秒,则约l000米。 

  蜜源与蜂巢的距离和舞蹈动作的快慢有直接关系。距离越近,舞蹈过程中转弯越急、爬行越快;距离越远,转弯越缓,动作也慢。蜜蜂的舞蹈动作,不仅能报告花蜜距巢远近,还能指示花蜜所在的方向。如果跳摇摆舞时,蜜蜂头朝上,则是说:“朝太阳的方向飞去,能找到花粉。”反之,则是报告:“在背向太阳的地方可以找到食物。” 

蜜蜂只是凭借跳舞蜜蜂身上的气味慢慢搜寻食物来源? 

  尽管大多数生物学家倾向于弗里施关于舞蹈是真正信息来源的观点,但关于这种“编码”是怎样被翻译成一种“飞行计划”的却一直没有定量描述。对这种假设持怀疑态度者提出,旁观的蜜蜂只是从跳舞的蜜蜂身上获得食物气味,然后凭借气味搜寻食物来源。生物学家艾德里安·文纳认为,蜜蜂跳舞只是在进化过程中产生的一种习惯,其实并没有传递任何信息。从蜜蜂表演舞蹈到旁观的蜜蜂抵达食物源有一个很明显的时间差,这说明其它蜜蜂只是从跳舞的蜜蜂身上获得食物气味,然后凭借气味慢慢搜寻食物来源。 

微型雷达收发器被粘在蜜蜂背上来追踪其飞行路径。 

 bee.jpg (12481 字节) 为了探究蜜蜂舞蹈语言的奥秘,英国罗特哈默·斯特德农业研究中心的一个研究小组,利用雷达来追寻蜜蜂搜寻蜜源的飞行路径。他们设计了一种只有16毫米大小的微型异频雷达收发器,并把这些收发器安装在了作为研究对象的蜜蜂身上。研究小组负责人乔·赖利表示,他们耗费了将近两年时间来研制出这个微型雷达收发机。它必须足够小、足够轻,以至于一个蜜蜂能够载着它轻松飞行而不影响正常的采集工作。与此同时,雷达收发机还要得到足够的能量以进行全方位的信号收发。 

  据介绍,最终版本的微型雷达收发机仅有10至12毫克,比蜜蜂所要采集的花粉还轻得多,携带它的蜜蜂在采蜜时能够灵活自如地飞行。这个雷达由一根特殊钢丝制成的非线性天线和一个微小芯片组成,看起来像一根长胡须。研究者用特制的胶水将微型异频雷达收发机粘在600多只蜜蜂背上,然后将它们放入1万多只蜜蜂的蜂群中,跟踪它们的活动情况。每个收发机传回的信号都是独特的,可以与其他收发机的信号进行区别。一旦蜜蜂背上了雷达,它们被追踪的过程就如老式电影里所描绘的那样:某个闪光点在荧屏上不停地闪烁,然后信号被记录下来,并转换成图表。因为微型雷达收发机太小,缺乏足够的电池来供电,所以设计者们让雷达发射20千瓦的电讯号给收发机提供能量。 

研究发现蜜蜂能够依据舞蹈找到蜜源,但是有一定误差。 

  赖利的团队自1996年起就开始用微型雷达来追踪蜜蜂的踪迹,大量的实验数据证明蜜蜂能够读懂舞蹈编码中所包含的信息。小组负责人乔·赖利指出,研究人员用科学的方法证明了弗里施关于蜜蜂舞蹈语言的假设,以定量的方法一劳永逸地解决了这个问题。蜜蜂可以用特定的运动方式将有关食物源的位置、距离及丰富程度通知蜂房里的同伴。侦察蜂出去寻找蜜源,然后回来报告给蜂群,其它的蜜蜂就跟着过去,如果蜂群比较大了,要分群的时候,也派工蜂出去寻找新的巢穴,新的巢穴的距离、方位,新的巢穴的质量,也是通过工蜂形体的动作(方向、次数、力度)来传递的。 

  于蜜蜂在觅食过程中存在的时间差问题,赖利解释道,这个矛盾是弗里施造成的。弗里施认为蜜蜂读取了侦察蜂的舞蹈信息后径直飞向蜜源。但实际上蜜蜂在这个过程中花了10分钟而不是1分钟。实验显示,蜜蜂确实能够迅速解读舞蹈提供的信息,然后快速飞抵所指示的地点,而且在它们飞向目标的过程中也不会受风向变化的影响。但是它们飞抵的目的地很少是完全正确的,通常离蜜源都有5到6米的误差。一旦蜜蜂结束了依指示前行的飞行后会改变飞行模式,它们会进行环绕飞行来寻找精确的蜜源。来来回回的环绕飞行一般要耗上10多分钟,正是时差之所在。 

携带微型雷达收发机的另一个作用是可以准确探测生物武器所在位置。 

  为了确定蜜蜂并不是依据气味来寻找食物来源,研究小组还进行了另一个实验。他们先让一些蜜蜂观看了8字舞蹈,然后迅速将它们转移至250米以外的地方再进行放飞。研究者发现,这些蜜蜂还是依据此前观看8字舞蹈所传递的信息进行飞行,它们所抵达的地点正好与真正蜜源位移了大约250米。 

  康奈尔大学的生物学教授托马斯·西利表示:“这是一个非常成功的实验,他们进行了非常精确的操控以至于得到非常明晰结果。但是这里仍存在一些问题,我们不知道当天色阴暗时,旁观的蜜蜂看了8字舞后能否接收到所有信息,而且我们仍不知道这一过程是怎样进化而来的。”美国蒙大拿大学的昆虫学家杰里布罗门申克则认为,这项研究具有广泛应用价值,例如,蜜蜂具有异常灵敏的嗅觉能够记住大量不同的气味,携带微型雷达收发机之后,它可以准确探测出生物武器所在位置。

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航天导航系统简介:塔康导航系统



航天导航系统简介:塔康导航系统
作者: 干国强 温启祥,  出处:网络整理, 责任编辑: ttmc, 2005-08-08 16:25 
  军用战术空中导航系统,采用极坐标体制定位,能在一种设备、一个频道上同时测向和测距。
塔康导航系统 
tactical air navigation-TACAN 

军用战术空中导航系统,采用极坐标体制定位,能在一种设备、一个频道上同时测向和测距(图1[ 塔康导航系统]

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发展 40年代后期,民航已采用伏尔导航系统测向和早期的地美依导航系统测距,两者结合成为伏尔-地美依导航系统。塔康导航系统的发展旨在1000兆赫频段上同时提供测向和测距两种功能,并提高测向准确度。1948年,试验在1000兆赫频段上对天线用3瓣波形调制以提供全向方位,并与地美依导航系统组合。1951年继续改进,用9瓣波形替代3瓣波形,同时把通道数从50个增加到 126个。导航性能因此得到提高而成为正式导航系统,在军事上得到广泛应用。1959年,民用地美依导航系统改用塔康通道和相同的脉冲技术。后来,又把伏尔导航系统与塔康导航系统结合起来,遂成为通用的伏尔塔克导航系统。 
原理 塔康设备测距原理与地美依设备完全相同,测向功能是通过附加在地面信标天线上的特殊装置来实现的。天线结构是塔康导航系统测向的核心。传统的塔康地面信标天线是圆筒形结构,中心是固定不动的辐射元,发射全向场型(图2[塔康导航系统地面天线结构])。

2.jpg (22101 字节)围绕辐射元外围的是两层同轴旋转的圆筒,圆筒由绝缘材料制成,内圆筒镶有1个金属反射元,外圆筒镶有9个反射元。圆筒由电动机驱动,转速为每分钟900转(每秒15转),每转为360。转轴上固定有基准脉冲盘,嵌有基准脉冲触发点。内圆筒上的单个反射元对中心辐射元产生的影响,是使它的场型变成心脏形,每秒旋转15周。外圆筒上的9个反射元,对场型产生的影响是使其变成9齿形,内外圆筒一起旋转产生塔康导航系统所特有的9瓣波形场型。由于具有9瓣的调制波形,塔康导航系统抑制场地反射干扰的能力大为提高(图3[ 塔康导航系统的调制波形])。

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塔康导航系统输出载波受填充脉冲对或应答脉冲对调制,每周(360)出现一次相位固定的基准脉冲群。内圆筒旋转产生每秒15次的调制信号,外圆筒旋转产生每秒135次的调制信号(图4[塔康导航系统信号波形])。

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塔康导航系统地面天线的15赫和 135赫调制也用电扫描技术完成,可提高天线工作的可靠性。机上设备除发送询问信号、通过测距电路测距和用距离计指示外,用方位电路测方位,用方位计指示方位角(图5[ 塔康导航系统机上设备])。

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性能和特点 塔康导航系统测距时,飞机必须发送询问脉冲对,因而是有源系统,而且同时向同一地面信标发送询问脉冲的飞机数不超过 100架。塔康导航系统的测距误差与地美依导航系统相同。塔康导航系统测向时机上设备无须发送信号,因而是无源系统,测向时机上用户数量是无限的。塔康导航系统机上设备都是测向和测距两用的。塔康导航系统测向,从15赫和135赫合成调制信号中可得到±1.0°的准确度,从单15赫调制信号中可得到小于±4.5的准确度。塔康导航系统受视线限制,地面或近地覆盖只在55公里以下,飞行高度为1500米时可达185公里,6000米以上高度可达240公里,在更高的高度上可达 370公里。地面信标(标准台)输出功率一般为5千瓦。 
塔康导航系统采用固态电子技术和遥测、遥控技术,使设备可靠性大大提高。现代监测台具有自动关闭超差地面台的能力。 


参考书目 
Kelth Henney, Radio Enineerin Handbook, 5th ed.,McGraw-Hill,New York,1959. 
Myron Kayton and Walter Fried, Avionics Naviation System, John Wiley & Sons, New York,1969.