遥控遥测技术及其在航天技术中的应用.docx

遥控遥测技术及其在航天技术中的应用丁亮南京信息工程大学滨江学院电子信息工程专业，20122305905摘要：遥控是发送指令信号对相隔一定距离的受控对象进行控制的技术与过程。遥测是对相隔一定距离的被测对象上的参量进行测量的技术与过程。作为过程，它们都是通过相关信息技术设备组成的电子综合信息系统进行。作为技术，它们提高了人类认识、改造客观世界的能力，使人们能够突破时空限制对各种集中、固定的设备与分散、运动的目标以及相距遥远、处于恶劣环境的物体进行测控。随着微电子、计算机、通信、传感器与自动控制等相关信息技术与设备的发展，遥控遥测已经成为重要的信息产业，在经济发展、国防建设、科技进步与人民物质文化生活水平的提高中发挥着越来越大的作用。关键词：遥控 ； 遥测；  航天技术一、遥控遥测的发展及应用 遥控综合应用指令生成、传输、检出与自动控制等信息技术实现了对相隔一定距离的受控对象的控制，扩展了人类改造事物的能力，它最早用于远距离引爆水雷与控制无人驾驶小艇。第一次世界大战后，法国与德国相继进行了应用无线电遥控技术控制无人驾驶飞机与舰艇的尝试，由于技术不够完善而未能进入实用。第二次世界大战末期，德国使用无线电控制的导弹攻击地面固定目标，继而研制了无线电指令制导的防空导弹，使无线电遥控技术进入了实用阶段。美国与前苏联竞相发展导弹武器给遥控技术的发展以巨大促进，航天事业的兴起则为遥控技术的应用开辟了又一个新的天地，把遥控推向一个新的发展阶段。 遥测综合应用传感器、数据传输与信号处理等信息技术对相隔一定距离的被测对象上的参量进行测量，提高了人类认识事物的能力，它最早出现在十九世纪初。由于相关基础信息技术的牵制，它早期发展比较缓慢。二十世纪中期，在微电子与计算机等基础信息技术发展的推动下，遥测技术才得到广泛应用。宇航部门在航天器试验阶段，利用遥测系统获取航天器各系统工作状态参数与环境数据，为检验航天器性能、分析故障与实施遥控提供依据；在航天器运行阶段，利用遥测系统获取环境参数、宇航员生物医学数据与航天器各系统工作状态参数，以此判断航天器工作状态、宇航员身体状况与对航天器及其有效载荷进行控制。二、遥控遥测系统的工作原理  在应用中，遥控系统与遥测系统除分别用于对各种运动/固定的物体进行遥控或遥测外，还经常集成为一个统一的遥控遥测系统。在这个统一的系统中，遥测分系统获取被测控对象的工作状态参数，作为遥控分系统对其进行管理与控制的重要依据；遥控的效果再由遥测分系统反馈到测控中心作为下次遥控的参考。下面通过测控系统来看遥控与遥测的工作原理。 测控系统由遥测分系统、测控中心与遥控分系统三部分组成。遥测分系统包括传感器、遥测数据传输设备与遥测终端，遥控分系统包括指令产生器、指令传输设备、指令检出器与执行机构，测控中心主要是操作员与/或计算机。测控对象可以是运动中的卫星、飞船、飞机、飞艇、车辆与舰只等物体，也可以是电力网、输油送气的管线与水库等固定的设施。 传感器负责规定参量的采集与转换，它因需测量的参量而异，需测量的参量随测控对象的情况而不同。传感器通常包括敏感元件与转换元件两部分，敏感元件感受规定的参量，转换元件将敏感元件感受的参量按一定规律转换成符合传输系统输入端要求的信号。一个测控系统通常含有若干个传感器。传输系统分有线电与无线电两类。有线电传输系统以电线、电缆或光缆为传输媒质，具有抗干扰性强、保密性好的优点，但机动性差、远距离使用成本较高。无线电传输系统利用在大气层或自由空间中传播的电磁波传送信息，具有灵活、机动的特点，但易受干扰、保密性较差，主要用于活动目标间、固定测控站与活动目标间以及远距离传送信息。无线电遥控遥测系统中，传输遥控指令与遥测数据的设备主要有发端的多路复用调制综合器、发射机、发射天线与收端的接收天线、接收机、分路解调器。 遥测终端有显示、记录与处理设备，它对接收到的信号进行显示、记录与分析处理，得到测控对象的状态及参量变化数据，作为测控中心了解被控对象状况与控制效果，优化管理与控制的重要依据。 指令产生器主要包括变换器与编码器。变换器的作用是把操纵员或计算机的命令变换为指令信号，编码器的作用是产生各种控制指令，并根据变换器送来的指令信号选择相应的控制指令由指令传输设备送往被测控端。指令检出器主要包括解码器与指令判决器。解码器的功能是对指令传输设备输出的控制指令进行解码识别；指令判决器主要用于对控制指令进行抗干扰判决与保密判决。 无线电遥控遥测系统工作时，传感器中的敏感元件感受规定的被测控对象有关参量，转换元件按一定规律将此参量转换成符合传输设备输入端要求的信号；遥测数据传输设备运用频分、时分或码分多路信息传输技术对传感器输出信号进行处理、综合，然后将其调制到载波上发往测控端；测控端对接收到的综合信号进行解调、分路，恢复出各路原始信号送入遥测终端；遥测终端设备对这些信号进行记录、显示与分析处理，向测控中心送去测控对象的状态及参量变化信息。测控中心的操纵员与计算机根据遥测终端提供的被控对象相关参数及其变化数据，结合控制的需要，产生相应的命令送往指令产生器。指令产生器中的变换器将此命令变换为指令信号，去选择编码器产生的相应控制指令，然后由指令传输设备将此控制指令传送到被测控端；被测控端的指令检出器对收到的控制指令进行解码识别、抗干扰判决与保密判决，然后将得到的命令送到执行机构变换为控制执行元件的信号，使执行元件产生相应的动作对测控对象与/或传感器工作进行控制与管理。三、遥控遥测的关键技术  遥控与遥测的关键技术主要有决定遥测系统测量精度的传感器技术、提高遥控指令与遥测数据传输可靠性的抗干扰技术与满足传输高速率遥测数据需求的高速数据传输技术。 传感器技术是运用牛顿力学、热力学、电动力学与量子力学等理论，开发并运用各种敏感材料与器件，感知力、热、声、光、电、磁、气、湿等各种物理量的存在及变化，并将其转换为电量或电参量（也可为其它适当的物理量，例如光量与光参量）的存在及变化的技术。传感器有结构型与物性型两种。结构型传感器原理简单、性能稳定可靠，应用最为普遍；物性型传感器直接利用材料效应，将敏感功能与转换功能合二为一，具有结构紧凑、体积小、重量轻、响应速度快等优点。抗干扰技术主要是差错控制技术与扩频技术。差错控制的实质是根据信道情况与误比特率要求，用频带与设备复杂性换性能的方法控制数据传输的质量，以取得尽可能高的效费比。差错控制方法主要有前向纠错（FEC）、反馈重发（ARQ）与混合纠错（HEC）三种。扩频指用与信息无关的伪随机码扩展射频信号带宽使其远大于发送信息所需的最小带宽。扩展信号频谱的方法主要是直接序列调制、跳频以及它们的组合。直接序列调 制是将射频信号功率分散在很宽的频带内，以隐蔽的方式对抗干扰；跳频是使载频在较宽的频带范围内跳变，以躲避的方式对抗干扰；它们的组合，即在直接序列扩频的基础上增加载波频率跳变的功能，则使信息传输系统既具较强的抗干扰能力与较好的适用性，又有技术上的可实现性与较好的经济性。 传输高速率数据既要考虑频率资源，又要考虑传输质量。解决频率资源问题的技术方法主要是提高传输系统工作频段以增加频率资源，提高频带利用率充分利用频率资源与合理使用节省频率资源。提高传输系统传输质量的技术方法有合理设计基带信号，选择适宜传送高速率数据的编译码体系与适当的调制、解调方式，以及采用频域均衡或/与时域均衡等。四、主要技术参数  遥控系统的主要技术参数是可靠性、指令容量与误指令率。可靠性说明系统在规定条件下与规定时间内完成规定功能的能力，它是遥控系统最重要的技术参数，常用平均故障间隔时间（MTBF）度量。根据不同的用途，遥控 系统的MTBF数值一般在几十至几百之间。指令容量即指令产生器中的编码器可能产生的最大指令条数，它表明遥控系统所能控制参量的多少与控制精度的高低。误 指令率指错误接收指令数在所发指令总数中所占的比例，它在一定程度上说明遥控系统工作的可靠性。 遥测系统的主要技术参数有精度、容量与可靠性。精度反映遥测终端输出数据与原始数据的符合程度，遥测系统的精度用相对误差（测量参量的绝对误差值与参量最大值之比）来表示。一般情况下传输 对系统精度影响较小，精度主要取决于传感器。容量是衡量遥测系统传送遥测信息能力大小的指标，它在很大程度上决定了遥测系统所能完成功能的多少与完成质量的优劣。在数值上它等于遥测系统各路所能传递的信号频带之与。遥测系统的可靠性与遥测数据获取、传输与处理等环节的软、硬件可靠性密切相关，可通过加强系统方案论证、分系统设计、生产加工、设备鉴定、使用维护以及从设备研制到使用的管理等环节来提高。五、 遥控遥测技术在航天技术中的应用 对相隔一定距离的对象的参量进行检测并把测得结果传送到接收地点的技术。完成遥测任务的整套设备称遥测系统。航空航天遥测使用的传送载体是无线电波，所以也称无线电遥测。通过遥测可实时监视飞行器及其内部主要设备的工作状态与性能，及时了解航天员的生理状况等。分析遥测数据可对设计作出评价，为改进设计提供依据，缩短飞行器的研制周期。（一） 发展概况遥测技术起源于19世纪初叶，航空、航天遥测技术则分别开始于20世纪30年代与40年代。此后，遥测广泛用于飞机、火箭、导弹与航天器的试验，也极大地促进了遥测技术的发展。5060年代，随着通信理论、通信技术与半导体技术的发展，遥测技术在调制体制、传输距离、数据容量、测量精度以及设备小型化等方面都取得了很大的进展。60年代以来，遥测技术发展的显著特点是：遥测设备的集成化、固态化、模块化与计算机化，出现了可编程序遥测与自适应遥测。 （二） 工作原理航空航天遥测系统可分为飞行器遥测设备（系统）与地面遥测设备（系统），前者主要由传感器、多路组合调制器、发射机与天线组成，后者主要由接收机与天线、分路解调器等组成（图1）。传感器的功能是感受被测参量并转换成电信号。各传感器的输出信号(及其他需经遥测系统传送的信号)同时送入多路组合调制器，各路信号按一定体制组合起来，互不干扰地通过同一个无线电信道传送出去。多路组合调制器输出的信号调制发射机的载波，通过天线发射出去。接收端天线接收信号后送入接收机。接收机把组合信号解调出来，再经分路解调器恢复各路原始信息，加以记录、处理与显示。现代广泛应用的信号组合体制有时分制与频分制两种。图1遥测系统方框图时分制  按时间顺序来区分通道（图2）。采样开关按顺序对各路信号巡回采样，形成图2b中阴影条所示的一个综合脉冲序列。接收端的分路解调器的分路开关与发送端的采样开关同步工作，把各路信号分开。如果脉冲序列中脉冲幅度反映被测参数，则称脉冲幅度调制（PAM）。如果采样脉冲的宽度或位置反映被测参数，则称为脉冲宽度调制或脉冲位置调制(PDM、PPM)。如用一组编码来反映被测参数，则称脉冲编码调制 (PCM)。这种脉冲序列调制到发射载波上的方式可以是频率调制(FM)、相位调制(PM)与幅度调制(AM)中的任何一种。时分制遥测系统常用的方式是PAM-FM与PCM-FM。时分制多用于被测信号较多而变化缓慢的缓变参数的测量。其中PCM体制的应用更为广泛。图2时分制工作原理频分制  按不同的频率来区分通道（图3）。各路被测信号对各自的副载波调制，将这些调制后的信号相加得到图3b所示的频谱。这一组合信号再去调制载波，经天线发出，在接收端经载波解调后，用一组滤波器滤出各路副载波，再各自解调出信号。同样，组合信号对发射载波的调制也可以采用上述三种方式中的任何一种。频分制遥测系统中常用的是FMFM体制。频分制多用于被测信号较少且变化较快的速变参数的测量。图3频分制工作原理载人飞船中, 遥测、遥控、电视与通信常常共用一个无线电信道，以便简化设备与提高系统可靠性。多级运载火箭与航天器的遥测参数可多达数百路到数千路，而且有些参数的变化频率高达数千赫，所以遥测的信息量很大，常需要多套遥测设备并行工作，有时需要在飞行器上用磁记录器记录数据，以后回收磁带，获取遥测数据。飞行器上遥测设备的特点是：体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、能在恶劣的环境（低温、振动、加速度、粒子辐射等）下正常工作。此外，遥测系统还应具备使用灵活、能实时处理数据的特点。对火箭与返回型航天器遥测还存在一个特殊问题：再入大气层时，在飞行器周围形成等离子鞘，它强烈吸收与反射电磁波，使无线电遥测信号中断。人们常采用两种解决办法：一种是把这段时间的遥测数据暂存起来，待飞出这个黑障区后再快速重发到地面，这是“记忆重发”法；另一种是用磁带把这段时间中的遥测数据记录下来，以后回收磁带。此外，在航天器越出地面接收站的接收范围时或多级火箭级间分离火焰造成信号中断以及导弹水下发射时，也常采用这两种办法获得遥测数据。（三） 航天遥测特点飞行器遥测的传输距离一般很远，尤其是航天遥测通常是几百公里到几千公里，甚至几亿公里。飞行器上不可能安装高增益天线，而且飞行器是运动的，所以遥测站一般都采用高增益的大型自动跟踪天线。在人造卫星、载人飞船中，遥测、遥控、电视与通信常常共用一个无线电信道，以便简化设备与提高系统可靠性。多级运载火箭与航天器的遥测参数可多达数百路到数千路，而且有些参数的变化频率高达数千赫，所以遥测的信息量很大，常需要多套遥测设备并行工作，有时需要在飞行器上用磁记录器记录数据，以后回收磁带，获取遥测数据。飞行器上遥测设备的特点是：体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、能在恶劣的环境（低温、振动、加速度、粒子辐射等）下正常工作。此外，遥测系统还应具备使用灵活、能实时处理数据的特点。对火箭与返回型航天器遥测还存在一个特殊问题：再入大气层时，在飞行器周围形成等离子鞘，它强烈吸收与反射电磁波，使无线电遥测信号中断。人们常采用两种解决办法：一种是把这段时间的遥测数据暂存起来，待飞出这个黑障区后再快速重发到地面，这是“记忆重发”法；另一种是用磁带把这段时间中的遥测数据记录下来，以后回收磁带。此外，在航天器越出地面接收站的接收范围时或多级火箭级间分离火焰造成信号中断以及导弹水下发射时，也常采用这两种办法获得遥测数据。 随着计算机与微电子技术的发展而出现的新遥测技术，即自适应遥测，主要包含可变格式与数据压缩技术。 在宇宙探索中，遥测技术帮助了解太阳系遥远天体上的气温、大气构成与表面情况；投放在敌方的遥测仪器能传回许多情报；取得导弹与飞机的飞行数据；收集核试验情况也要靠遥测技术。在工业上遥测技术使许多庞大的系统高效安全运行，如电力、输油、输气系统、城市自来水、煤气与供暖系统等。在研究动物的生活习性中，遥测技术也是有力的手段，动物带上有传感器的发报机后，在实验室就可研究野外动物的动态。遥测技术也用在医学上，如测定宇航员与登山队员身体情况。医术高明的大夫利用遥测技术能为偏僻地区的病人服务。（四）国内外市场现状与展望 遥控遥测产业虽然占领了经济、军事与科研等领域的大量市场，但仍有很多市场等待它去开发。西部大开发战略的实施，给遥控遥测产业提供了一个巨大的新市场。西部不少地区地广人稀，工作、生活环境极其恶劣，给经济开发带来不少困难。利用遥控遥测技术就可改善人们的工作条件，减少野外作业，在有空调的舒适房间里就可对相距遥远、分散在恶劣环境中的设备进行监测控制。西部有丰富的水利资源与油、气资源，在这些能源的开发中，无人值守水文观测系统的建立，各种水利设施、水电设施与电力网运行状况的监控管理与输送油、气管线的监控，都是有待遥控遥测产业去占领的市场。环境保护中环境污染的监测，交通设施建设中高等级公路的监测管理，新建城镇中水、电、气、热等各种管网的监测管理，新建厂矿中生产线的自动化监控等等，都是遥控遥测产业的广阔市场。 随着城市公用事业的蓬勃发展，要求加强传感器的开发，增加其种类并提高精度与质量，改善监控系统的可靠性与精确性，以提高所监控管网的安全性与资源调度管理的科学性；要求将城市公用事业网的监控系统联网，建立区域办公网，对所监控管网的资源进行统一调度，合理利用。这些提高城市公用事业网监控水平的需求，给遥控遥测产业打开了又一个市场。 参考文献： 1 胡世祥，无线电遥控遥测，国防科学技术出版社，2005 2 纪传礼，遥控遥测技术，电子工业出版社，2009。3.6 3 孟维晓，现代无线电测控技术，电子工业出版社，2008.5.8 4 郑  霖 柴宗新，传感及遥控遥测技术应用，电子科技大学出版社，2006.4.3第 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