导航定位技术论文

生物与导航定位

（姚欢912102380130）

引言:

在自然界中，动物都有判别方向的本领，有些生物更是导航方面的专家，中国人很早就知道利用生物的这个特性，比如用信鸽传信，中国有句古话叫做“好马识途”，说明了连马儿都知道判别方向。随着科技的发展，人们对于动物的导航早已超出了这个范围，如今，许多科学家都在致力于利用动物自己的导航本领，研究动物机器人，让动物得到人的控制。而这些，与机械式的导航有着很大的差别，但也不排除在生物界能找到像卫星导航这样的模型。研究动物的导航机理，通过仿生学的手段，或许将为我们的导航技术提供新的思路。开发出新的导航技术，设想如果通过生物学的方法，开发出能够识别动物的思维信息的系统，这将对我们的导航技术产生革命式的影响。

另一方面，在生物学领域，导航定位技术可以发挥很大是的用途，现在的科学家利用导航定位的工具，研究动物种群的行为，利用卫星技术，让测量种群密度等变得非常简单。动物学家们也可以利用这个工具来跟踪动物，在中央电视台的一期节目中，就可以利用导航定位技术来进行跟踪，而不对动物的行为产生认为的干扰。如今导航定位技术已经深入到各个领域，她在渔业，在森林火灾预警等方面都是最根本的技术。导航星定位技术在管理学上也有广泛的应用价值，更是现代军事斗争中不可缺少的利器！本文将从导航的生物学机理和导航定位技术在生物学和生物学有关产业的应用做一个讨论。

动物的定位导航行为和机理

几乎所有的动物都要具备感知，定位的的能力。像人类就是利用感觉器官，经过大脑处理信息，当然还有利用到脑的储存功能，来判别方向。用眼睛收到的图像与记忆的图像匹配来导航。在定位导航系统中，卫星和定位设备间通过电磁波或是声波等来信息交流，而人类开发的处理系统就像是大脑一样，起着相同的功能。动物利用的信息主要是物理信息几种：

1.利用电磁波

有眼睛的动物都利用可见光来定位物体。与人相比，有的动物的视力要差多了，比如熊的视力就很差。而鹰的视力就非常好，一般鹰的眼睛能分辨10公里以外的小动物，堪称小雷达。当然，动物们不仅能够像人类一样利用可见光，很多动物能够利用非可见光，蛇就能利用物体的热辐射的红外线。因为在蛇的眼睛

和鼻孔之间叫颊窝的地方有一个叫做热眼的颊窝，颊窝一般深5mm，只有1cm长，呈喇叭形，外面有热收集器能够接收小动物身上发出来的红外辐射。

一般来说要有好的视力，必须有一个较大的大脑来处理。动物的眼睛结构基本相同。一般视力好的动物的眼球较大。而视力的好坏主要由眼睛的结构和眼睛的生物活性有关。在地球上的动物中，山鹰的眼睛最为敏锐。研究发现：其奥妙就在于鹰眼中含有极为丰富的硒元素，高出人类一百多倍。硒对视觉器官的功能是极为重要的，支配眼球活动的肌肉收缩，瞳孔的扩大和缩小，眼辨色力的正常均需要硒的参与。硒也是机体内一种非特异抗氧化剂谷胱甘肽过氧化酶的重要成分之一，而这种物质能清除人体内(包括眼睛)的过氧化物和自由基，使眼睛免受损害。在眼睛中，感受和处理光信息的最小单位是细胞，眼睛有两大功能，一个

是经眼睛的光学系统

在眼底形成物体的像，另一

个是视网膜将物象的光转

换并加工成神经冲动，经由

视神经将冲动传入视觉中

枢，从而产生视觉。普通人

的视网膜拥有500万个锥形

细胞，这些锥形细胞是用来

感受视觉色彩的，可以把人

的眼睛想像成等同于500万

像素。但是，在眼睛里面还

有一亿个棒状细胞，它们是

用来感受单色对比度、明暗

的，在你眼睛所示画面的锐

利程度方面扮演着重要的角色。人的两个眼睛持续地抓取着周围的景

象，希望能够获取比视野更大的可视区域，然后把这些区域在大脑中拼合起来，就像拼接照片一样，获得了全景图。在光线好的情况下，只要两个细线分开的距离不少于0.6弧度(0.01度)，我们眼睛可以把它们分辨出来。就是说等效像素大小是0.3弧度。保守估计眼睛的水平可视角度是120度，垂直可视角度是60度，换算下来等于5.76亿像素的图像数据。

60*120/0.005/0.01 5.76*10^8

应该指出，利用电磁波的视觉导航是动物界最一般的方式，就连蚂蚁都利用自己非常弱的视力来在大脑形成周围环境的景象并将信息储存起来，它可以利用

视觉接收的信息和大脑储存的相对比来完成自身的定位导航。这也是现在地形匹配导航的思想来源。蜜蜂用来保证自己平稳着陆的技巧可以用来控制无人驾驶飞机的着陆。实验发现，蜜蜂着陆时的飞行速度与它们离地面的高度总是成比例地减慢。经验告诉我们：当我们向前运动时，离一个物体越近，它向我们奔来并越过我们的速度就越快。同样，如果蜜蜂以一个恒定的速度着陆，地面就会越来越快地向它们扑来。因此，蜜蜂在着陆过程中，让地面的影像越过自己视野的时候速度保持恒定，这样蜜蜂就会自动减慢它们的着陆速度，使在接触地面的那一瞬间速度为零。蜜蜂着陆的精妙之处，就在于它利用视觉来进行自然导航，不需要了解自己速度的准确数字，也不需要知道自己离地面有多高，只需要知道地面影像越过自己视野时的速度。对蜜蜂来说，这种导航只是它神经系统的某种特异化。科学家们进行了实验验证，他们在一台计算机控制的起重机的吊钩上安装了一台向下的摄像机。当保持地面影像移动速度恒定时，吊钩达到地面的运动刚好停止。类似这样的视觉导航系统对微型飞行器来说是很有价值的，它能引导微型飞行器穿梭于建筑物之间，而不会因速度太快撞在墙壁上。现在科学家们正在试制一架带有蜜蜂导航系统的无人驾驶飞机，希望它能像蜜蜂一样安全轻盈地着陆。

2.利用声波

声音也是动物常用的的导航工具，常见的雷达定位导航和声呐的生物模型就是蝙蝠。蝙蝠能够发射超声波，根据物体对声波的反射，对接收的声波进行处理，就能很容易得到自己与障碍物的距离。这种方法如今已经得到广泛的应用，几乎所有的导航定位系统都离不开这种思想。当然除了蝙蝠，其他动物也利用声波。相比于视觉，这种方法属于自主式的，而人类等其他动物更多的是被动式利用声波。

3.利用电磁场

地磁导航应该算的上是地球上迁徙动物利用最普遍的方式，如信鸽就是利用地磁。迁徙的候鸟就是利用地磁，一年年往返于几个地方，他们迁徙的地方有的要跨州。几万公里的路途都不会迷路。有科学家曾经对海龟进行磁干扰，发现这个动物对磁的感应能力很强。鲨鱼的大脑中存在一种特殊的细胞能够感应其他动物肌肉收缩产生的电场。由此来捕捉猎物。所以电磁场也是动物能够感应和利用的一种导航工具。

动物也会利用气味等各种信息，如狗就能利用自己尿液的味道。除了这些导航的本领外，动物还有许多的可以带来创意的本领，比如苍蝇的翅膀激发了人类开发震动陀螺仪的灵感。动物的定位导航本领可谓丰富多彩，奥秘无穷。

4.微生物利用化学信号