2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——天文學在導航與通訊中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述歷史上天文學知識在人類導航活動中扮演的重要角色。請至少列舉兩種具體的天文觀測方法或天體，并說明其如何被用于導航。二、全球定位系統(tǒng)（GPS）是目前最廣泛使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一。請闡述GPS定位的基本原理，并說明其中涉及的一個關鍵的天文或物理概念（如軌道、相對論、時間同步等）及其重要性。三、射電天文學的發(fā)展對現(xiàn)代通訊和導航技術產(chǎn)生了深遠影響。請簡述射電天文學的基本原理，并列舉一項射電天文技術或其原理在導航或通訊領域的具體應用。四、分析大氣層對無線電波傳播可能產(chǎn)生的主要影響，并解釋這些影響對于基于天文學的導航和通訊系統(tǒng)（如GNSS、射電干涉測量）意味著什么。五、原子鐘是現(xiàn)代導航系統(tǒng)（如GPS）和天文觀測中實現(xiàn)高精度時間測量的核心部件。請解釋原子鐘的原理，并說明其提供的精確時間基準對于實現(xiàn)可靠導航和精密天文測量為何至關重要。六、現(xiàn)代天基導航系統(tǒng)（如GPS、北斗）依賴于精確的衛(wèi)星軌道信息。請簡述影響衛(wèi)星軌道精度的幾個主要天文相關因素，并分析這些因素如何可能導致導航定位精度的下降。七、激光技術在現(xiàn)代科技中有多種應用。請?zhí)接懠す鉁y距（LIDAR）技術在地球科學、氣象學或天文觀測中的一種具體應用場景，并簡要說明其利用了激光的哪些特性。八、隨著空間技術的發(fā)展，天文學與導航、通訊領域的融合不斷深入。請設想一個未來可能出現(xiàn)的場景，例如在深空探測任務中，天文學技術如何幫助實現(xiàn)更精確的自主導航或高效的數(shù)據(jù)通訊，并簡述你的想法。試卷答案一、歷史上，天文學知識在人類導航中扮演了至關重要的角色。例如，利用太陽確定方向和估計時間，古代航海者通過觀察太陽的軌跡來判斷船的朝向；利用北極星（小熊座α星）確定北方，這在北半球尤其重要，因為北極星大致位于地球自轉(zhuǎn)軸的延長線上，其方位角變化很小，長期以來被用作可靠的導航標志。此外，通過觀測月亮的相位和位置，也可以輔助判斷時間和方位，制定航海歷法。二、GPS定位的基本原理是利用衛(wèi)星測距。地面控制站發(fā)射包含精確時間信息的信號到多顆GPS衛(wèi)星，用戶接收機接收這些信號，通過測量信號傳播時間來計算接收機與每顆衛(wèi)星之間的距離。利用三顆衛(wèi)星的距離測量，可以在平面上確定用戶的位置；利用四顆或更多衛(wèi)星，則可以確定用戶的三維位置（經(jīng)度、緯度、高度）以及精確的時間。其中涉及的關鍵天文/物理概念是衛(wèi)星軌道。GPS衛(wèi)星位于特定的近地圓形軌道上，其高度和速度是已知的，這使得地面站能夠精確計算衛(wèi)星的位置。同時，為了實現(xiàn)全球覆蓋和精確測距，必須考慮相對論效應（特別是一級和二級效應），因為GPS衛(wèi)星在高速運動且處于較高軌道，其經(jīng)歷的時間膨脹與地面不同，如果不進行修正，會導致定位誤差累積。三、射電天文學利用射電望遠鏡接收來自天體的無線電波進行觀測。其基本原理是：所有溫度高于絕對零度的物體都會輻射電磁波，射電望遠鏡通過大型天線收集這些微弱的射電信號，并通過信號處理技術進行分析，以研究天體的物理性質(zhì)、結構和運動。在導航或通訊領域的應用之一是甚長基線干涉測量（VLBI）。VLBI利用分布在地球不同地點的射電望遠鏡，同時觀測同一遙遠射電源發(fā)出的微弱射電信號。通過精確測量信號到達各望遠鏡的時間差，可以反演出這些望遠鏡之間基線的長度，并最終確定射電源在天空中的精確位置。這項技術可用于高精度的地球參考框架定義和地殼運動測量，間接服務于導航定位的基礎設施建設。四、大氣層對無線電波傳播的主要影響包括折射、吸收和閃爍。折射是指無線電波在穿過不同密度的大氣層時會發(fā)生彎曲，這會影響信號的路徑和到達接收機的時間，從而可能導致定位誤差。吸收是指大氣中的某些氣體（如氧氣、水蒸氣）會吸收特定頻率的無線電波，導致信號強度減弱甚至中斷，這對于依賴特定頻段的導航和通訊系統(tǒng)（如GPS使用的L1、L2頻段）是重要考慮因素。閃爍是指信號到達接收機時振幅和相位發(fā)生快速、隨機的變化，主要由大氣湍流引起，這會嚴重影響需要高穩(wěn)定性信號的應用，如射電干涉測量中的相位測量精度，也可能對高頻通信造成干擾。五、原子鐘利用原子（如銫原子或銣原子）內(nèi)部的能級躍遷來計時。當原子吸收或發(fā)射特定頻率的光時，會經(jīng)歷從一個能級到另一個能級的躍遷，這個頻率非常穩(wěn)定且精確。原子鐘通過檢測這種躍遷來精確地計數(shù)時間周期，從而產(chǎn)生極其穩(wěn)定和精確的時間信號。精確的時間基準對于可靠導航至關重要，因為GNSS系統(tǒng)中的所有衛(wèi)星都需要基于同一精確時間源來發(fā)射信號，接收機也需要精確測量信號傳播時間來進行距離計算。任何時間上的微小誤差都會直接轉(zhuǎn)化為定位誤差。在精密天文測量中，精確的時間是進行天體位置測量的基礎，例如在VLBI中，需要精確到納秒級的時間同步來測量射電源的位置。六、影響衛(wèi)星軌道精度的幾個主要天文相關因素包括：太陽和月球引力攝動（攝動）、地球非球形引力場攝動、太陽光壓攝動、以及空間環(huán)境中的高能粒子輻射和微流星體撞擊。其中，太陽和月球引力攝動最為顯著，它們會導致衛(wèi)星軌道元素（如半長軸、偏心率、軌道平面傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角）隨時間發(fā)生緩慢變化。地球非球形引力場（如地球扁率）也會引起軌道畸變。這些因素使得衛(wèi)星的實際位置與其理論軌道存在偏差，如果不進行精確的軌道修正，就會直接導致基于衛(wèi)星位置的導航定位精度下降。七、激光測距（LIDAR）技術利用激光束的直線傳播和已知速度（光速）來精確測量距離。其原理是發(fā)射一束激光到目標物體，然后精確測量激光束返回接收器所需的時間，根據(jù)公式距離=(光速×時間)/2計算出距離。這項技術在地球科學中可用于精確測定地面高程、繪制數(shù)字高程模型（DEM）、監(jiān)測冰川運動或地表沉降。在氣象學中，可利用LIDAR探測大氣中的氣溶膠、云層、霧氣等粒子分布，獲取垂直風速剖面等信息。在天文觀測中，地基激光測距（GLR）可用于精確測定地月距離，為天體力學研究和地球參考系定義提供高精度數(shù)據(jù)。八、在未來的深空探測任務中，天文學技術有望在自主導航方面發(fā)揮更大作用。例如，未來的深空探測器（如星際飛船）在遠離地球信號覆蓋范圍時，可能需要自主進行導航定位。這可以通過結合多普勒雷達導航（利用相對運動引起的多普勒頻移測量速度和距離）與天文導航（利用已知位置和亮度的一等恒星或行星進行天文觀測，通過測量其角位置來確定探測器自身位