航空航天科技论文范文

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中图分类号：G641 文献标志码：A 文章编号：1002-2589（2015）30-0145-02

引言

航空航天代表了科技和工业发展的最前沿，是促进国家科技发展、满足经济建设、增强国防安全和加快社会进步的重要力量。加强航空航天类高校教育，培养一批具有高素质、创新能力的航空航天类专业人才是服务我国战略发展的必然需求。航空航天类本科人才是高层次航空航天类人才的基础，培养适应国际竞争的航空航天类本科人才，是我国航空航天科技发展的关键。当前，以美、俄为代表的航空航天大国都建设了自己特色的航空航天专业院系，开展了多年的教学实践，具有丰富的经验。论文旨在通过材料的梳理，了解国外航空航天专业人才培养模式，对国际一流大学航空航天类专业设置、课程安排、学生培养特点等方面进行研究，从中总结经验，为国内航空航天类专业教学教改提供参考。

一、国外著名航空航天院系

（一）美国著名航空航天院系

美国是世界上航空航天类研究最发达、人才培养最成功的国家，其人才培养主要依赖其国内的大学。比较有代表性的有麻省理工学院和斯坦福大学。

麻省理工学院航空航天类教学与科研由航空航天系负责，下设三个部门，分别是信息部、航空系统部、飞行器技术部。信息部分主要研究航天系统有关的信息获取、处理、传输技术，如卫星通信、高空侦察、空中通信、集成防御系统等，负责教授导航、制导、控制、通信、网络、实时软硬件系统等课程。航空系统部门主要研究航空航天高复杂性系统的设计、制造、操作方法，教授最优化方法、故障诊断、系统容错等课程，建有人机实验室、空间系统实验室、国际空运中心、操控台研究中心、复杂系统研究实验室等。飞行器技术部门负责计算方法、流体力学、推进技术、材料科学、结构技术等的研究和教学，建有宇航计算设计实验室、空气涡轮实验室、宇航微小结构协会、空间推进实验室、先进材料和结构技术实验室等。

斯坦福大学航空航天系隶属于工学院，承担航空专业的教学科研任务。该系的研究领域包括空气弹性变形及流体仿真、飞行器设计与控制、应用航空动力学、空气声学计算、流体动力学计算、动态系统计算、机器人控制、复杂材料与结构、湍流模拟、推进、高超声速流体、导航、控制系统辨识与优化、卫星工程、湍流与燃烧等。

（二）俄罗斯著名航空航天院系

俄罗斯也是航空航天强国，开设航空航天专业的主要学院有莫斯科国立航空学院、西伯利亚国立航空航天大学。莫斯科国立航空学院建于1930年，拥有12个学院，56个系，128个实验室，3个设计局，几个计算机中心，一个实验工厂，一套运动航空训练设施，一个莫斯科附近的飞机场，两个科研机构（应用力学和电气力学，低温研究）。该学院通常以数字编号代替学院名称，从一院到十二院分别为航空工程院、发动机院、控制系统院、信息与电力院、无线电电子学院、经济与管理院、航空航天院、机器人与智能系统院、应用数学和物理院、应用力学院、人文科学院、预科院。西伯利亚国立航空航天大学拥有空间研究及高技术学院和航天技术学院，设置了飞机制造系、航空发动机与能源装备系、飞行器管理系统系、航空导弹技术系、飞行器无线电技术系统系。

（三）欧洲著名航空航天院系

英国帝国理工学院在其工学院设置了航空系，主要负责飞机设计制造方面的研究与人才培养，包括航空动力学与航空结构学两个研究方向。航空动力学方向包含流体基础、航空飞行器设计、控制、生物医学、环境与工业关系等方面的研究。航空结构学方向包括计算力学、冲击与损伤、复合材料等方面的研究。

法国国家高等航天航空学院已经有90多年的历史，它位于欧洲航天业发展的中心地带，致力于培养顶尖的技术工程师，在研制协和式客机的工程师当中，有许多就是从法国高等航天航空学院毕业的。学院下设5个系和一个研究中心，分别是空气动力学、能源、推进系、结构与材料力学系、光电子与信号系、语言文化艺术系、航空宇航中心。

二、国外著名航空航天院系专业设置与课程体系

（一）学位与专业设置

国外著名航空航天院系多数是本科四年，研究生二年，英国有本科3年，研究生1年。俄罗斯不同，如莫斯科国立航空学院预科1年、本科4年、硕士2年、博士3年。在学位设置上，各个院校有所不同，归纳起来，主要有工学学士、航空航天工程学士、航空工学学士、航空航天工学学士、航空工程理科硕士、航空航天工程学士、航空与宇航工程学士、航空学理科硕士、航空与航天学理科硕士、机械与航天工程理科硕士。

（二）国外著名航空航天院系课程体系

麻省理工学院（MIT）航空与航天专业是美国同领域中最有名的专业，其人才培养理念和课程设置世界闻名。MIT航空与航天系设有两个本科专业方向：航空与航天科学工程专业和航空与航天信息科学工程专业，两个方向的课程设置都建立在航空航天基础（核心）课程上，下面分别以A和B代指这两个专业。课程主要包括全校统一要求课程和系课程构成。全校统一要求课程包括基础科学课程（6门）、人文、艺术、社会科学课程（8门）、科学与技术限选课程（2门）、实验课程（1门）;系课程包括系核心必修课程、专业课程、试验与进展课程，其中系核心必修课程包括一体化工程I、II、III、IV，计算机和工程问题求解引论，自动控制原理、动力学、随机系统分析、微分方程;专业课程中专业A包括空气动力学、结构力学、推进系统引论、航天工程中的计算方法，专业B包括航天系统的评估与控制、数字系统实验室介绍、实时系统与软件、交互系统工程、人为因素工程、自主决策原理;试验与进展课程包括飞行器工程、空间系统工程、试验项目I、试验项目II、飞行器进展、空间系统进展I、空间系统进展II。

（三）学时学分要求

1.学分组成。课程学分组成考虑教学环节，如MIT飞行动力学课程，总学分12分，构成包括课堂3分、实验1分、预习和复习8分。另外还有无学分课程，课程必修但无学分，如普林斯顿没有学分制、强调上课门数，斯坦福大学基础课程要求5门航空航天基础课程，专业课程4选3。英国大学一般不设立学分制，所有学生都按部就班完成规定课程的学习。

2.学分要求。美国大部分学校有明确的毕业学分数要求。如MIT航空航天工程系根据培养计划设课程学分，又分成4类，分别是核心课（core）108、专业领域课（professio-

nal area）48、实验和综合应用（experiment and Capstone）30、非限制性选修课（unrestrictived elective）48，总学分大于234学分。但是在学分数量并不统一，差异很悬殊，如密歇根128学分、MIT大于234学分、宾州州立132学分。航空航天专业必修课比例很高，有的高达90%以上，如斯坦福、佐治亚理工、普渡。另外还有只要求课程而不要求学分的，如普林斯顿毕业要求共36门课。

3.学时要求。有些大学要求学时达到一定数量，如悉尼大学本科至少192学时，研究生核心课程和选修课程，至少144学时。斯坦福大学研究生基础课程设置门数要求，其他按学时要求，数学（6个学时）、技术选修（12学时）、人文社科类选修（45学时）。

三、国外著名航空航天院系专业培养特色

归纳起来，国外著名航空航天院系在专业培养上具有如下特色。一是国外著名大学航空航天专业设置宽、窄各有特色。美英等专业设置以宽口径、大类培养为主，基本不针对特定航空航天器划分专业，学生专业方向只是体现在个别课程的选择上。俄罗斯、乌克兰等的专业划分细而精，如莫斯科国立航空学院几乎整个大学的院系专业就代表了航空航天器的各个不同部分，专业面向具体而明确。二是国外著名大学航空航天专业课程体系具有少而精且多样化特色。美英等课程每学期课程数量相对较少，但课业工作量不少。学生毕业所需学时学分也不少。美英等航空航天专业的课程必修多、选修少，完全学分制的作用并不明显，反映了航空航天专业的特殊性。课程学习课内外并重，还有较多实践环节、交流讨论、项目设计等。课程的环节丰富多样（如剑桥）。教授授课。三是注重通识教育与专业教育的结合。在通识教育上，在课程设置中有重视科技写作、科研道德规范、表达与交流、团队协作、人文素质培养和工程师就业指导。在专业教育上，强化多样化实践环节、注重专题课程和生产实习。四是注重综合素质和个性化培养。例如南安普敦大学设置有工程管理与相关法律的必修与选修课程，让学生学习在工程实践中如何领导团队、进行项目管理与风险评估、做出决策以及熟悉与之相关的法律知识。还会从工业部门请来客座教师来协助授课，并安排有相应的实践环节。针对个性化培养需求，在课程设置上具有较大的选择基数。

四、总结

航空航天类本科人才是高层次航空航天类人才的基础，是航空航天类研究生人才的后备军。论文主要对国际一流大学航空航天类专业学位与专业设置、课程体系、学时学分要求点等方面进行了梳理，总结了人才培养特色，为国内航空航天类专业建设和教学教改提供参考。

参考文献：

[1]田正雨，李桦.麻省理工学院航空航天类本科生课程体系分析[J].高等教育研究学报，2010（1）.

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土地确权工作包括宅基地使用权证、土地所有权证以及集体建设用地使用权证的发放，该工作的开展有利于明确农村集体上的产权问题，减少土地权属方面的纠纷，建全土地产权管理制度。工作对象为集体所有的未用地、农用地与建设用地。

一、无人机测绘技术的特色和优点

（一）特色

测绘通过无人机航空法、传统载人机航测方式、工程测量外业实测法三种方式得到数据。在三者中，无人机航空测量法成本有着效率最高、操作简单、成本最低的特点；传统载人机航测法操作很繁琐，需要跟机场协调、申请执行区域，这些使得成本也比较高；外业实测法是实地测绘的方法，易受地形、气候等外界因素的影响，没法保证质量和工期，且需要的测绘人员多，测绘地形图没能提供具体的影像地图，使得测绘的成本过高。综上，无人机测绘技术是土地确权工作中提供基础地形图数据最有的方法。

（二）优点

1.操作简单

无人机测绘技术对于场地的要求低，不用在机场起降，乡镇中也能运用；低空作业，受天气影响小，办理飞行审批手续较简单；技术灵活，到达指定区域快速。

2.安全

是非载人飞行，在危险区域工作时能够实现最低危险性。

3.效率高

可在盆地、水域、林地等复杂区域工作，不受地形影响，且拍摄时间长、获取的数据确切、全面，可以实现高效工作。

4.准确度高

汇合不少先进的设备和技术，有导航系统设备、摄像技术、数字通讯技术等，整体的集成技术成熟，获取的影像和定位数据较为准确。

5.监测可视化

在执行任务前会根据需求对航拍点、飞行路线等自动制定飞行计划，飞行中有轨迹回放、即时重拍等功能。

二、土地确权工作的重要性

因为各种因素的存在使土地确权登记发证工作处于滞后状态，较低的发证率使其没能将所有权具体到每个个体，不利于经济的发展，不符合中央的要求。因此，尽快明晰集体土地财产权，加快土地确权发证登记工作的进展很有必要。有以下三个作用：

（一） 维护广大人民利益、保证社会的发展

开展土地确权工作，不仅能够减少土地权属纠纷，还能依法确认人民土地权利，增强个体以致社会的土地物权意识，在现代化、工业化和城镇化中有效地保护人民的权利。

（二） 增强对土地的管理和利用，落实节约用地制度与耕地保护制度

实际上，土地确权就是为了确定土地的利用情况，因此会进行建立土地登记表，清查集体土地的用途、位置还有权属关系的工作。这一系列工作的进行有利于确认农民与土地、农民集体与土地间稳定长期的产权关系、提高广大人民节约用地、保护耕地的积极性，加强改革的基础以及管理的基础。

（三） 务实农村农业发展根基，促进城乡发展统筹规划

为了实现土地产权制度的分配合理、流转顺畅、权益保障、权能明晰、产权明确，开展了土地确权工作，依法保证人民的土地物权，这种制度能促进社会、经济以及城乡统筹的不断发展，是建立城乡统一化的土地市场的基础和前提。

三、无人机测绘技术在土地确权中的应用

无人机测绘技术广泛运用于突发事件监控、城市规划、土地开发和管理、测绘、灾害防治、生态保护等领域，涵盖了航空摄影测量、遥控、遥感、高空拍摄等多种先进的设备和技术，是集体土地在土地确权工作中实行调查的最重要的方法。

土地所有权确权工作中，建筑用地类，按一比五百的比例绘制一寸为单位的宗地宗地图，按一比五百的比例绘制类斑图；按一比五百的比例绘制农村建设使用电量的现状图；土地所有权确权工作中的底图则按一比五千的比例来绘制。这一系列的图是调查权属和地籍管理，核查确定户宅基地面积、界定、使用权权属的基础，只有核查确定完以上工作才能进行登记发证工作。

无人测绘技术的工作包含拍摄影像、采集数据等，获得精度高的地表三维数据，作为快速建立协同作业的侧视图像的模型，测绘出集体土地内的土地地形图，可以协助确权工作的顺利进行。

四、无人机测绘技术的实施

（一）调研

进行项目之前，通过无人机航空拍摄得到可作前期对测绘区的分析和选择依据的数据。

（二）划定范围

通过利用无人机测得的数据以及遥感影像、地形图等确定分析测绘地区的地貌、地形以及经纬度，确定测绘区域的有关情况，进而划定工程项目范围。通过该方法来划定范围可以减少没有必要的投资花费，使项目成本实现最低化。

（三）制定拍摄计划

在无人机测绘中，应该拍摄所要测绘的区域，因此有必要提前制定有关的拍摄计划。目前，自动化程度高的无人测绘技术可以实现自动制定飞行航测计划，供给不少的DOM成果。作为国家的重点重工程，土地确权工作运用无人机得到地数据可以检测工作的质量、进度等。

（四） 实现实时可见测绘过程

执行的整个过程中，使用无人机拍摄有着实时可见的特点，一旦有模糊或者不全面的地方出现，能够在拍摄完马上进行补拍工作。

（五） 处理数据

土地使用无人机完成测绘后，无人机能利用采集的数据而生成的三维地表模型、三维景观模型、三维正射影像图等各种可视的三维数据绘制大比例尺的地形图，并将其作为土地发证工作中的辅助工具实现核对、计算。

（六） 其他

无人机测绘技术采集数据以后，在生产过程中，应该及时纠正数据影像中出现的错误。通过微分纠正、空中三角测量等得到整一个测区的 DEM 值，再选择合适的参考影像，匀色、匀光所有测绘区域中的影像，使整个测试区能够保持色调一致、颜色均匀。另外，还应及时改正图形内的居民、道路、土质等信息含有的错误，制作、核查全面DOM 、DEM，并整理得到的结果。

五、控制无人机测绘环节

无人机测绘数据现势性强、精度高，作为基础调查底图，能够有效选取并纠正地面控制点，提高影像的可解释性和几何精度；培训内业处理数据人员、外业测绘人员等技术人员；选一个合适的小组作为试点，在开展项目前验证整个的流程和方式，可有效提高工作的精度。

六、验证无人测绘的结果

（一） 实地测量方式

通过土管人员、全外业调绘确定地界及权属工作流程，按照户名、地块统计面积，随机地从所有的测绘区域土地块数中抽取八块，由土管人员和技术人员运用外业实地测量法，对比无人机和实地测得的面积得到误差对比分析表。

（二） 对比村委会耕地在册的面积和无人机测绘得到地结果

对比可发现，所测得的地块面积很大程度上是跟在册面值一致的，只有极少的地方出现较大的误差，研究发现，出现差值是因为不合理的测量的方式。

七、总结

农村集体土地确权工作中，运用无人机测绘技术可以提高工作效率，缩短工作周期，全面、准确地获取影像和数据，保证工作的顺利进行。

参考文献：

[1]邹晓亮，缪剑，张永生，赵桂华.基于像素工厂的无人机影像空三优化技术 [J] .测绘科学技术学报，2012， 5 （45）：362 - 367.

[2] 姜丽丽，高天虹，白敏.无人机影像处理技术在大比例尺基础测绘工程中的应用研究[J].测绘与空间地理信息， 2013， 07 （47） ：174 - 176.

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）32-0204-02

留学生全英语教学也是与国际接轨的先进模式，是大学教育国际化的标志。接收其他国家的留学生，输出中国的文化、技术是体现中国实力的重要手段。这是欧洲、美国、俄罗斯等国家建立全球影响力的战略措施之一。如今，随着我国科学技术水平的不断提高和综合国力的不断提升，越来越多的外籍留学生赴我国留学，是我国影响力扩大的体现。今年来，随着我国在航空航天事业上的大迈进，中国的航空航天科技实力越来越受到世界瞩目。作为中国重要的一所航空特色高等院校，南京航空航天大学近年来吸引了越来越多的留学生赴我学习航空工程、机械工程等。

一、适合留学生的新型教学模式探索

（一）针对留学生的特点采用形式多样的课堂教学方式

在《控制系统工程》的留学生教学中，我们拟尝试如下一些做法。

1.注重阐述物理含义和联系工程背景。针对本课程理论性强、工程应用背景广泛的特点，在讲课过程中注意强调数学表达及推导背后的物理含义及工程意义。讲授比较抽象的控制系统的动态过程时，充分利用现代化教学多媒体手段将抽象的动态过程形象化。

2.结合留学生国情进行教学。根据留学生的国情背景，使学生能够从熟知国情特点出发，将专业学习和本国发展实际有机地结合起来，结合其国情进行教学，进而讲述中国及世界自动控制发展的现状及其特点，使教学过程显得生动，也极大地提高了学生学习兴趣。

3.分组学习。把学生分成几个小组，每个小组做一个需要综合运用所学的知识和方法的小项目，然后在课堂上采用小报告的形式进行交流。这种方式训练了学生综合分析问题和解决问题的能力，在强化专业知识的同时，能够锻炼学生的团队合作意识。

4.布置阅读材料。在大学的学习不仅是追求知识，更重要的是发展能力，国外的高等教育更为注重这一点。因此，在讲课过程中，在讲解了重要的基础知识后，布置一些阅读材料给学生们自学，在下次课前，花很短的时间提供一些习题给学生自己判断自学情况。通过这样的自学过程，有利于提高学生的自主学习能力和分析问题、解决问题的能力。

5.加强师生之间的交流与沟通。多听、多讲，用更多时间与留学生相处，熟悉他们的发音、掌握他们的语言特点及表达方式，从而逐步听懂他们的提问。这样可以产生更好的教学互动，从而也消除了教师的紧张心理。另外，还可以借助手势、表情，融趣味性、艺术性于带教之中，可以避免教学中的枯燥、呆板，激发他们的学习兴趣。

（二）重视实验教学，充分利用校内外实体及虚拟实验资源

针对不同专业背景的留学生，充分利用我校自动化学院创新实验室已有的典型控制对象实验设备（如倒立摆、直流电机、磁悬浮系统、球杆系统等），贯穿教学内容的始终，并让学生有机会亲自到实验室验证所学的控制方法。网络的迅速发展与普及将世界变得越来越小，很多著名大学的相关研究中心如加州理工大学的控制与动态系统（CDS）中心、加利福尼亚大学Santa Barbara分校的控制工程和计算中心（CCEC）等都在其网站上提供了可以免费使用的系统模型、实验数据、源程序、虚拟实验平台等资源，学生只需坐在一台有网络连接的电脑前轻触鼠标就可以和世界先进的控制工程教学实验资源亲密接触。除了大学，一些企业公司如The MathWorksTM的网站上提供很多免费的MATLAB/Simulink的演示例子、讲解录像和培训视频，并且经常针对其新开发的产品功能举行免费的网络专题讲座（Webinar），来自世界各地的研究者、工程师和学生们可以在线观看视频、提问并讨论。教师在上课时应有意识地将这些信息传播给学生，并鼓励学生充分利用这些资源。

（三）鼓励并组织留学生参加应用自动控制技术的科技竞赛活动

鼓励学生参加如ROBOCUP和“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛活动，结合其专业背景，把从《控制系统工程》这门课程中学到的控制思想和工具运用到实例中，如机器人、航空、通信、机电系统等。

（四）结合实际教学效果和学生反馈，编写适合留学生特点的教案、教材

注重教学内容的科学性、先进性、新颖性与启发性。教材选用清华大学影印版的英语原版教材《Linear Control System Engineering》，本书的定位是要为机械工程、电机工程、电子工程、航空工程等非控制工程专业的本科生提供一本内容适度、实用性强和学时较少的控制理论教材。该书基于Morries Driels多年教学体会，一改以往自动控制课本的章节形式，根据其教案改为Module的形式，一个Module涵盖1～2个基本的知识点，便于课堂教学和学生自学。本课程在课堂教学中，除了指定的教材外，每章均给出参考文献和书目。由于自动控制的应用领域广泛并且新技术发展很快，所以该课程的内容涵盖范围也在不断调整，教学内容不再按教材的顺序按部就班地介绍，而是在教学中增加了当前控制领域内的新技术和本课题组取得的最新研究成果。

（五）充分利用信息技术，开展网络化教学

在课堂教学中，充分利用多媒体技术，增大信息量、充实教学内容，力求在有限的时间内给学生传授更多的教学内容，采取多媒体教学，课堂授课采用多媒体与板书相结合的方式。为了提高课堂教学效果，克服英语语言表达和交流的不足，在教学过程中普遍采用了主题突出、层次分明的多媒体和幻灯片教学手段，在授课中巧妙结合幻灯、录像、多媒体传授知识，让学生做到看、听、想相结合。建立了《控制系统工程》教学网站，开展网络化教学。网站中建立课程介绍、教学录像、多媒体课件PPT、习题、网上课程评价系统，包括学生意见在线调查等多项内容，便于学生选择自己喜爱的方式进行预习、复习、自学等。网上答疑采用师生交流的方式（用E-mail和BBS的形式）进行，利用传统的教学方式和现代化教学手段相结合，积极邀请外聘专家来华进行专题讲座，与同学们进行学术交流。

（六）设立科学合理的评分标准

确定一个学生的学习成绩需要制定一个合理的评价标准，综合评定学生的课堂表现、平时作业以及期末考试，针对学生的各方面表现给出一个合理的成绩。为培养留学生自觉学习的习惯，改善学习风气，应将平时的作业、课堂练习、讨论、实验等都纳入到考核体系中。在第一堂课上，就让学生知道如何正确对待本课程的考核，即从课程的开始到结束、从理论课到实验课、从到课率到交作业情况，均按一定权重进行考核，最后的成绩是一个综合成绩。

（七）不断提高教学团队人员的科研水平和业务素质

好的教学要结合科研，没有科研做后盾的教学是一种没有观点的教育。教师本身的科研水平决定了教师对所教授内容的理解深度和融会贯通能力。本教学团队近年来承担多项国家自然科学基金研究项目以及省、部级科研项目，在国际重要学术刊物上发表数十篇研究论文。多年来，我们一直将教学和科研放在同等重要的地位，在追踪最新学术前沿领域的同时，将相关新知识、新技术介绍给学生，扩展学生的视野。结合所授课程，指导学生承担校大学生创新基金项目，增强学生对所学课程的兴趣和动手能力。

二、总结

本文针对留学生的知识结构和应用需求的特点，考虑这些领域内的学生将面对的新的控制问题和挑战，结合国外的先进教学理念和模式，探索为留学生提供具备启发性与实用性的相关知识的教学新途径，使学生能够理解基本的理论概念与控制原理，学会使用控制系统设计工具。充分利用国外著名大学的开放网络教学资源，使英语基础良好的留学生方便地获取最新的专业知识和了解先进国家的技术发展动态。从教学内容、教学方式方法等方面不断探索和改进，及时总结，在教学中既考虑到当前教学的具体任务，又注意学生原有的知识结构体系，形成行之有效的留学生教育模式，大力提高教学效果，切实保证教学质量，促进留学生教育与国际接轨。

参考文献：

[1]王旭红，吴素平.留学生“电机学”课程全英语教学探讨[J].中国电力教育，2011，（19）：68-69.

[2]王苏春，王勇，唐德才.发达国家留学生教育经验对我国留学生教育的启示[J].教育探索，2009，（9）219：146-147.

[3]孟凡顺，李久会.提高留学生大学物理课教学质量的探索[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2010，（12）6：116-118.

[4]胡珊，刘燕，周毅，苗苗.医科留学生全英计算机教学的体会[J].医学信息，2010，（23）5：1186-1187.

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人生路：拉开太空探索新征程

20世纪中叶，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射升空，人类迈出了太空征程的第一步，此后美国“阿波罗号”、中国神舟五号等各国载人飞船、地球卫星以及深空探测器相继发射升空。浩瀚宇宙里总有一幅壮锦吸引人类不停地去探索。受人类航天事业发展所鼓舞，从最初对航天懵懵懂懂的爱好，到成为深度探索通向太空道路的研究员，靠着探寻宇宙空间奥妙执着的热爱和坚持，高扬的太空探索人生之路就这样展开。

高扬，1997年7月毕业于北京航空航天大学自动控制系，获学士学位；2000年7月获中国科学院中国遥感卫星地面站（现为中国科学院对地观测与数字地球科学中心）硕士学位。千禧之年，怀抱着对世界航天知识强烈的求知欲，年轻的高扬随着国内涌起的留跨出了国门，在美国密苏里大学机械与宇航工程系全额奖学金的资助下攻读博士学位，并在毕业后留校1年从事博士后研究。在国外深造的五年（2000-2005）时间里，他有机会广泛而深入地接触国际前沿航天技术知识，为之后回国继续从事相关领域研究奠定了基础。

2005年，高扬踏上了回国征程，成为中国科学院光电研究院/中国科学院空间科学与应用总体部（挂靠光电研究院）副研究员。2006年起，他在中国科学院研究生院（现为中国科学院大学）兼职授课。2011年，高扬受聘为中国科学院空间应用工程与技术中心（原中国科学院空间科学与应用总体部）研究员，同年起被聘为宇航动力学国家重点实验室兼职研究员、中国载人航天工程应用系统主任设计师。肩负着科研、工程与教学的多重任务，高扬开启了他太空探索的另一段崭新征程。

科研路：电推进飞船寻找“行走太空”最佳轨道

回国后，高扬踏上了独立自主的科研路。他承担了国家自然科学基金、中国科学院国防创新基金、中国科学院知识创新工程、国家“863”计划、载人航天工程资助的若干科研项目，开展的研究工作包括深空轨道优化设计、电推进卫星平台的导航、制导与控制、航天器精密定轨、卫星编队轨道控制、空间新型推进方式以及基于光电载荷的轨道姿态确定等。他的系列研究成果发表在Journal of Guidance Control and Dynamics、Journal of Spacecraft and Rockets、Acta Astronautica、Acta Mechanica Sinica、力学学报等航天飞行动力学领域国内外核心期刊上，他也因此获得2008年度首届中国科学院卢嘉锡青年人才奖，入选中国科学院青年创新促进会，并在2009年首届、2011年第三届全国深空轨道设计竞赛中获得冠军。

高扬的研究工作是从连续小推力空间最佳飞行轨道的探索开始的，该问题至今仍是极具挑战的课题，而这又与电推进（或称等离子推进）技术的发展与应用密切相关。电推进与目前传统的化学推进不同，它利用电能将推进工质电离形成等离子体，并产生电磁场加速等离子体使其高速喷射从而获得推力。电推进的效率高出化学推进一个量级，相比之下可以节省大量推进工质，成为各航天大国21世纪重点发展的航天技术。早在2001年，高扬在美国深造期间就曾系统地开展了连续小推力轨道优化和电推进任务设计的研究工作。2005年高扬回国时，我国在电推进技术应用方面的研究与美国还有较大差距，还没有电推进航天器的发展计划。作为刚毕业不久的博士，高扬一度难以获得科研基金支持。但他始终认为，电推进代表了先进的可以长期连续推进的工作方式，随着电推进技术本身的不断发展以及空间电源技术的突破，尤其是大功率太阳能与核能电源甚至有望成为太阳系载人飞行推进技术的唯一选择。正是这种观点一直激励着他坚持这方面研究。高扬说：“实际上，钱学森先生早在1963年出版《星际航行概论》一书中就预言电推进能够承载更多有效载荷，并指出电推进产生的连续低推力轨道的计算比大推力轨道要复杂。”为了纪念钱学森先生诞辰一百周年，他受《力学学报》编辑部的邀请，攥写了综述论文《电火箭星际航行：技术进展、轨道设计与综合优化》（发表在2011年第43卷第6期），旨在较为全面地介绍电推进技术应用于星际航行的基本内容与实现途径以及应用于载人深空飞行的设想。

电推进技术应用的核心问题之一是空间轨道优化设计。为了推动我国空间轨道设计的研究工作，高扬与中国力学学会以及国内同行一起为全国空间轨道设计竞赛（2012年前为深空轨道设计竞赛）付出了诸多努力。该竞赛旨在寻找空间飞行全局最优方案，而且可以非常有效地检验各种优化方法的合理性与实用性。2009年第一届全国空间轨道设计竞赛由清华大学主办并负责命题，之后每届竞赛由上届竞赛获得冠军的团队命题。截至今年，在已举办的四次竞赛中，高扬带领的团队获得两届冠军，因此他也成为了2010年第二届、2012年第四届全国空间轨道设计竞赛命题的主要技术负责人。他说：“希望通过竞赛不断提升我国空间轨道设计能力，也希望我国这方面的研究工作在国际上可以逐渐摸索出自己的研究思路，并逐步获得原始创新的研究成果。”

高扬说：“对于空间轨道（特别是连续小推力轨道）优化设计问题的研究让我更为深刻地理解了多方面知识，比如最优控制理论、常微分方程数值解法、动力系统理论、非线性规划、同伦延拓、动态规划、微分几何、组合优化等概念。这些知识的积累也让我逐步具备了触类旁通的能力，并将研究内容逐步拓展到电推进航天器导航、制导与控制、航天器轨道确定技术、洛仑兹力编队飞行等。”然而，他也坦言：“从2005年回国一路走到现在并非一帆风顺，遇到过很多挫折，也曾屡败屡战，但幸运的是一直没有放弃，所以现在逐渐开始领悟到通往太空‘罗马城’的条条大路”。

未来路：奔向太空罗马城

对于下一步的计划和安排，高扬表示首先要脚踏实地做好目前正在承担的本职工作。与此同时，“我希望在空间轨道研究领域继续工作，包括系统地建立空间脉冲或连续推力转移轨道优化设计的通用方法体系，并应用于深空飞行轨道、人造地球卫星轨道、卫星相对运动控制等具体问题中去。同时，我希望有机会参与我国电推进深空探测的科研项目。”

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中图分类号： TP79 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-146-2

1 无人机的定义

无人驾驶航空器简称无人机，英文的缩写为UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。无人机具有受气候的影响小，效率高反应速度快、能准确定位、准备工作简单、操作控制容易等特点。整个系统运行稳定，经济性能高，可以在小面积区域、兴趣地点悬停重点拍摄。

2 无人机的分类

①水平起降式：水平起降式机翼为固定式。优点：飞行速度快，可以进行高空飞行，动力效率比高，续航能力强。缺点：受空气流动影响较大，无法悬停在指定位置，对目标只能进行“盘旋观察”在复杂地形飞行时需要操作难度高，微型固定翼UAV限于效果的比例，身体容易跟随流线和角运动，进而影响其稳定性，难以获得连续稳定清晰的图像。对起飞和降落场地要求较高，要求起飞及着陆航线平整且无障碍物，且发射或降落时需要考虑风向、风速问题，限制较多。②垂直起降式： 垂直起降式机翼为旋翼式。优点：低空空气流动对其影响较小，可在空中悬停。可以在兴趣目标点进行“悬停凝视”观测，可以获得连续稳定清晰的图像，有利于小目标或局部区域的细致观测。具有垂直起降能力，可以在恶劣的场地进行起降，对气象条件要求低，具有较广的应用范围。缺点：机翼载荷比水平起降式高，动力效率比低，无法滑行，为减少自重，续航力低，控制系统复杂，容错率低，容易出现故障。

在多种类的无人机中，四旋翼无人机是目前研究最为广泛、用途最多的一种。四旋翼无人机由于能够垂直起降、自由悬停，适应不同的情况，在不同的环境下自由转向和调速。

3 无人机工作原理

3.1 系统概述

无人机飞行控制系统是无人机的核心，飞行控制系统通过采集飞行器的姿态、速度、压力、转速等信息，传输给飞行控制处理器，由处理器解算并发出控制无人机飞行状态的指令，并且通过无线数据通信系统可以向地面站实时传输无人机的飞行参数和功能传感器所探测的目标信息；另一方面，地面站也可以根据需求向无人机发送指令，控制无人机姿态、航向，到达指定地点进行拍摄或探测。整个飞行控制系统的设计是无人机的关键，是地面站与机上飞行控制系统的综合，飞行控制系统的好坏直接决定着无人机的质量。

3.2 无人机探测系统搭载原理

3.2.1 无人机遥感技术

无人机的遥感技术是将传感器技术、遥测遥控技术搭建在无人机技术的平台上，并运用计算机技术进行运算控制，通过通信技术完成信息传输及存储，可迅速、自动、智能地获取相关的环境空间信息，采集数据和应用处理。无人机续航时间长、能实时传输影像，具有成本低、高分辨率、机动灵活等特点，在高危地区探测具有较好的应用前景。

3.2.2 利用高分辨CCD相机系统获取遥感影像

无人机通过控制系统可以实现影像的自动拍摄和获取，通过航迹的规划实施监控，将采集的信息数据进行压缩和自动传输，还可以完成影像预处理，可以在水域环境监测提供环境信息，为各级环境部门环境检测提供便利，并可满足环境应急响应的需求。

3.2.3 数据融合生成三维立体空间图

地面站系统搭载了数据融合软件系统，该系统将传回的传感器数据和位置信息等数据，进行数据融合，生成立体三维空间图，直观展示各类信息，便于数据分析。

3.3 微型多旋翼无人机系统使用目标设定及定位

卫星及传统航空器在复杂水域、面积相对小且污染类型多样的区域拍摄不清晰，无法达到分析要求，无人机飞行器可以在复杂区域完成悬停凝视，拍摄连续稳定高像素图像，更能细致对进行目标区域进行监测。

四旋翼无人机携行方便，不受使用场地约束，最高可在6 级风力情况下使用，在阴云、雾霾能见度不良天气情况下，可以低空或贴水面飞行，获取水域环境的高清晰图像，可以实时追踪和监测突发环境事件的发展。同时借助地面站外部通信设备将无人机实时拍摄巡查地点的高清图片通过网络进行转播或存储。

3.4 无人机的优点

①多旋翼无人机通过采用GPS 模块实现了空间定位功能；将网络通信、自动控制、物联网及软件技术，集成在多旋翼无人机上，利用无人机灵活性特点，以点及面，就可以无死角、全方位地探测目标区域环境条件状况，实现定时定点采样，极大减小了控制生产成本和系统功耗。②数据融合生成立体三维空间图；特有设计了地面站系统，实时显示无人机传回的传感器数据和飞机当前位置信息等，同时进行数据融合，直接将数据以立体三维空间图直观展示，环境各参数指标一目了然。

4 微型多旋翼无人机的操作注意事项

本文以大疆精灵Phantom 4为例，介绍无人机的使用方法：无人机具体参数如表1。

①在目标地点附近起飞，飞行范围是以起飞点为中心高度120m以下，半径500m 范围内。②四旋翼飞行器可以垂直起降，在目标区域附近垂直起飞，到达预定高度后，飞往目标地点，对目标地进行检测。在检测过程中可以根据现场环境调整无人机的高度，便于获得更清晰的图像。在飞行过程中要注意于其他建筑或固定障碍物保持20-30m的安全距离，与运动的障碍物需要保持500m的安全距离。在一次出动微型多旋翼无人机时，需要在各组间设立指挥员，协调各组的飞行范围，保证任务顺利。③受电池约束，该型号无人机只能持续飞行28分钟，信号接收范围为3.5公里，在飞行时注意飞行时间和距离的控制，避免因没电或超出控制距离造成损失。

5 多旋翼无人机在水域环境监测中实际的应用

5.1 无人机在水产养殖区的应用

在水产养殖区域，水域环境检测尤为重要，以水草为例，水草作为大多鱼类的食物，可以很好地促进鱼类的生长，当水草超过一定数量，会造成水层缺氧，并加速水草死亡，造成水质变坏，不利于鱼类养殖。所以鱼塘需要实时监视水草数量，人工划船或观望难以做到全局观测，结果比较片面，使用无人机对水域进行全局探测，快速了解鱼塘整体情况，也可以在局部进行悬停并凝视，确定水草生长情况，获得鱼塘准确信息并及时制定应对措施。

5.2 无人机在环境检测的应用

沂河流经临沂沂水、沂南、临沂市区，临沂段全长284公里，流域面积7425平方公里，集水面积2872平方公里，河面最宽达1540米；被临沂人民誉为"母亲河"。是临沂重要的淡水资源，该河两岸附近分布着工场和众多的居民地，存在排污问题。对沂河的环境检测尤为重要，通过无人机技术可以快速地获得沂河流域环境情况，对保护水资源具有重大意义。

6 结论

水域环境监测需要对目标区域进行全局观测和量大的局部观测，要想获得大量高质量的局部观测信息，就需操作灵活，可控制性高的无人机系统组来完成。可以预见的是微型多旋翼无人机将会得到大量应用，而且未来微型多旋翼无人机的发展方向将是智能化、多样化的空中机器人群组。

参 考 文 献

[1] 高鹏骐，晏磊，赵红颖，何定洲.无人机遥感控制平台的设计与实现[A].第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C].2013.