遙控遙測技術(shù)及其在航天技術(shù)中的應(yīng)用

1、遙控遙測技術(shù)及其在航天技術(shù)中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化文件發(fā)布號：（9456-EUATWK-MWUBWUNNINNUL-DDQTYKII遙控遙測技術(shù)及其在航天技術(shù)中的應(yīng)用丁亮南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院電子信息工程專業(yè)，20122305905摘要：遙控是發(fā)送捋令信號對相隔一定距離的受控對象進(jìn)行控制的技術(shù)與過程。遙測是對相隔一定距離的被測對象上的 參量進(jìn)行測量的技術(shù)與過程。作為過程，它們都是通過相關(guān)信息技術(shù)設(shè)備組成的電子綜合信息系統(tǒng)進(jìn)行。作為技術(shù)，它們 提高了人類認(rèn)識、改造客觀世界的能力，使人們能夠突破時空限制對各種集中、固定的設(shè)備和分散、運(yùn)動的目標(biāo)以及相距 遙遠(yuǎn)、處于惡劣環(huán)境的物體進(jìn)行測控。隨著微電子、計算機(jī)、

2、通信、傳感暮和自動控制等相關(guān)信息技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展，遙 控遙測己經(jīng)成為重要的信息產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防建設(shè)、科技進(jìn)步和人民物質(zhì)文化生活水平的提高中發(fā)揮著越來越大的 作用。關(guān)鍵詞：遙控：遙測：航天技術(shù)一、遙控遙測的發(fā)展及應(yīng)用遙控綜合應(yīng)用指令生成、傳輸、檢岀和自動控制等信息技術(shù)實現(xiàn)了對相隔一左距離的受控對象的控制， 擴(kuò)展了人類改造事物的能力，它最早用于遠(yuǎn)距離引爆水雷和控制無人駕駛小艇。第一次世界大戰(zhàn)后，法 國和徳國相繼進(jìn)行了應(yīng)用無線電遙控技術(shù)控制無人駕駛飛機(jī)和艦艇的嘗試，由于技術(shù)不夠完善而未能進(jìn) 入實用。第二次世界大戰(zhàn)末期，徳國使用無線電控制的導(dǎo)彈攻擊地而固左目標(biāo)，繼而研制了無線電指令 制導(dǎo)的防空導(dǎo)

3、彈，使無線電遙控技術(shù)進(jìn)入了實用階段。美國和前蘇聯(lián)競相發(fā)展導(dǎo)彈武器給遙控技術(shù)的發(fā) 展以巨大促進(jìn)，航天事業(yè)的興起則為遙控技術(shù)的應(yīng)用開辟了又一個新的天地，把遙控推向一個新的發(fā)展 階段。遙測綜合應(yīng)用傳感器、數(shù)據(jù)傳輸和信號處理等信息技術(shù)對相隔一泄距離的被測對象上的參量進(jìn)行測量， 提髙了人類認(rèn)識事物的能力，它最早出現(xiàn)在十九世紀(jì)初。由于相關(guān)基礎(chǔ)信息技術(shù)的牽制，它早期發(fā)展比 較緩慢。二十世紀(jì)中期，在微電子和計算機(jī)等基礎(chǔ)信息技術(shù)發(fā)展的推動下，遙測技術(shù)才得到廣泛應(yīng)用。宇航部門在航天器試驗階段，利用遙測系統(tǒng)獲取航天器各系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，為檢驗航天器 性能、分析故障和實施遙控提供依據(jù)：在航天器運(yùn)行階段，利用

4、遙測系統(tǒng)獲取環(huán)境參數(shù)、宇航員生物醫(yī) 學(xué)數(shù)據(jù)和航天器各系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)，以此判斷航天器工作狀態(tài)、宇航員身體狀況和對航天器及其有效 載荷進(jìn)行控制。二、遙控遙測系統(tǒng)的工作原理在應(yīng)用中，遙控系統(tǒng)和遙測系統(tǒng)除分別用于對各種運(yùn)動/固左的物體進(jìn)行遙控或遙測外，還經(jīng)常集成為一 個統(tǒng)一的遙控遙測系統(tǒng)。在這個統(tǒng)一的系統(tǒng)中，遙測分系統(tǒng)獲取被測控對象的工作狀態(tài)參數(shù)，作為遙控 分系統(tǒng)對其進(jìn)行管理和控制的重要依據(jù)：遙控的效果再由遙測分系統(tǒng)反饋到測控中心作為下次遙控的參 考。下而通過測控系統(tǒng)來看遙控和遙測的工作原理。測控系統(tǒng)由遙測分系統(tǒng)、測控中心和遙控分系統(tǒng)三部分組成。遙測分系統(tǒng)包括傳感器、遙測數(shù)據(jù)傳輸設(shè) 備和遙測終端，遙

5、控分系統(tǒng)包括指令產(chǎn)生器、指令傳輸設(shè)備、指令檢出器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，測控中心主要是 操作員和/或計算機(jī)。測控對象可以是運(yùn)動中的衛(wèi)星、飛船、飛機(jī)、飛艇、車輛和艦只等物體，也可以是 電力網(wǎng)、輸油送氣的管線和水庫等固定的設(shè)施。傳感器負(fù)責(zé)規(guī)左參量的采集和轉(zhuǎn)換，它因需測量的參疑而異，需測量的參量隨測控對象的情況而不同。 傳感器通常包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，敏感元件感受規(guī)左的參量，轉(zhuǎn)換元件將敏感元件感受的參 量按一泄規(guī)律轉(zhuǎn)換成符合傳輸系統(tǒng)輸入端要求的信號。一個測控系統(tǒng)通常含有若干個傳感器。傳輸系統(tǒng)分有線電和無線電兩類。有線電傳輸系統(tǒng)以電線、電纜或光纜為傳輸媒質(zhì)，具有抗干擾性強(qiáng)、 保密性好的優(yōu)點，但機(jī)動性差、遠(yuǎn)

6、距離使用成本較髙。無線電傳輸系統(tǒng)利用在大氣層或自由空間中傳播 的電磁波傳送信息，具有靈活、機(jī)動的特點，但易受于擾、保密性較差，主要用于活動目標(biāo)間、固定測 控站與活動目標(biāo)間以及遠(yuǎn)距離傳送信息。無線電遙控遙測系統(tǒng)中，傳輸遙控指令和遙測數(shù)據(jù)的設(shè)備主要 有發(fā)端的多路復(fù)用調(diào)制綜合器、發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線和收端的接收天線、接收機(jī)、分路解調(diào)器。遙測終端有顯示、記錄和處理設(shè)備，它對接收到的信號進(jìn)行顯示、記錄和分析處理，得到測控對象的狀 態(tài)及參量變化數(shù)據(jù)，作為測控中心了解被控對象狀況和控制效果，優(yōu)化管理與控制的重要依據(jù)。指令產(chǎn)生器主要包括變換器和編碼器。變換器的作用是把操縱員或計算機(jī)的命令變換為指令信號，編碼 器的

7、作用是產(chǎn)生各種控制指令，并根據(jù)變換器送來的指令信號選擇相應(yīng)的控制指令由指令傳輸設(shè)備送往 被測控端。指令檢出器主要包括解碼器和指令判決器°解碼器的功能是對指令傳輸設(shè)備輸出的控制指令進(jìn)行解碼識 別：指令判決器主要用于對控制指令進(jìn)行抗干擾判決和保密判決。無線電遙控遙測系統(tǒng)工作時，傳感器中的敏感元件感受規(guī)左的被測控對象有關(guān)參量，轉(zhuǎn)換元件按一立規(guī) 律將此參量轉(zhuǎn)換成符合傳輸設(shè)備輸入端要求的信號；遙測數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備運(yùn)用頻分、時分或碼分多路信息 傳輸技術(shù)對傳感器輸岀信號進(jìn)行處理、綜合，然后將英調(diào)制到載波上發(fā)往測控端：測控端對接收到的綜 合信號進(jìn)行解調(diào)、分路，恢復(fù)岀齊路原始信號送入遙測終端：遙測終端設(shè)備

8、對這些信號進(jìn)行記錄、顯示 和分析處理，向測控中心送去測控對象的狀態(tài)及參量變化信息。測控中心的操縱員和訃算機(jī)根據(jù)遙測終 端提供的被控對象相關(guān)參數(shù)及英變化數(shù)據(jù)，結(jié)合控制的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的命令送往指令產(chǎn)生器。指令產(chǎn) 生器中的變換器將此命令變換為指令信號，去選擇編碼器產(chǎn)生的相應(yīng)控制指令，然后由指令傳輸設(shè)備將 此控制指令傳送到被測控端：被測控端的指令檢出器對收到的控制指令進(jìn)行解碼識別、抗干擾判決和保 密判決，然后將得到的命令送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)變換為控制執(zhí)行元件的信號，使執(zhí)行元件產(chǎn)生相應(yīng)的動作對測 控對象和/或傳感器工作進(jìn)行控制與管理。三、遙控遙測的關(guān)鍵技術(shù)遙控和遙測的關(guān)鍵技術(shù)主要有決立遙測系統(tǒng)測量精度的傳感器

9、技術(shù)、提高遙控指令和遙測數(shù)據(jù)傳輸可靠 性的抗干擾技術(shù)和滿足傳輸髙速率遙測數(shù)據(jù)需求的髙速數(shù)拯傳輸技術(shù)。傳感器技術(shù)是運(yùn)用牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、電動力學(xué)和量子力學(xué)等理論，開發(fā)并運(yùn)用各種敏感材料和器件， 感知力、熱、聲、光、電、磁、氣、濕等各種物理量的存在及變化，并將英轉(zhuǎn)換為電量或電參量（也可 為其它適當(dāng)?shù)奈锢砹?，例如光量和光參量）的存在及變化的技術(shù)。傳感器有結(jié)構(gòu)型和物性型兩種。結(jié)構(gòu) 型傳感器原理簡單、性能穩(wěn)左可靠，應(yīng)用最為普遍：物性型傳感器直接利用材料效應(yīng)，將敏感功能和轉(zhuǎn) 換功能合二為一，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快等優(yōu)點?？垢蓴_技術(shù)主要是差錯控制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。差錯控制的實質(zhì)是根據(jù)信道情況

10、和誤比特率要求，用頻帶 和設(shè)備復(fù)雜性換性能的方法控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，以取得盡可能髙的效費比。差錯控制方法主要有前向 糾錯（FEC）、反饋重發(fā)（ARQ）和混合糾錯（HEC）三種。擴(kuò)頻指用與信息無關(guān)的偽隨機(jī)碼擴(kuò)展射頻信號 帶寬使其遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所需的最小帶寬。擴(kuò)展信號頻譜的方法主要是直接序列調(diào)制、跳頻以及它們的 組合。直接序列調(diào) 制是將射頻信號功率分散在很寬的頻帶內(nèi)，以隱蔽的方式對抗干擾；跳頻是使載頻 在較寬的頻帶范國內(nèi)跳變，以躲避的方式對抗干擾：它們的組合，即在直接序列擴(kuò)頻的基礎(chǔ)上增加載波 頻率跳變的功能，則使信息傳輸系統(tǒng)既具較強(qiáng)的抗下 擾能力和較好的適用性，又有技術(shù)上的可實現(xiàn)性和 較好的經(jīng)濟(jì)性

11、。傳輸高速率數(shù)據(jù)既要考慮頻率資源，又要考慮傳輸質(zhì)呈:。解決頻率資源問題的技術(shù)方法主要是提高傳輸 系統(tǒng)工作頻段以增加頻率資源，提髙頻帶利用率充分利用頻率資源和合理使用巧省頻率資源。提髙傳輸 系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的技術(shù)方法有合理設(shè)il基帶信號，選擇適宜傳送髙速率數(shù)據(jù)的編譯碼體系和適當(dāng)?shù)恼{(diào)制、 解調(diào)方式，以及采用頻域均衡或/和時域均衡等。四、主要技術(shù)參數(shù)遙控系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)是可靠性、指令容量和誤指令率?？煽啃哉f明系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)左時間內(nèi) 完成規(guī)定功能的能力，它是遙控系統(tǒng)最重要的技術(shù)參數(shù)，常用平均故障間隔時間（MTBF）度量。根據(jù)不 同的用途，遙控 系統(tǒng)的MTBF數(shù)值一般在幾十至幾百之間。指令容量即指令

12、產(chǎn)生器中的編碼器可能產(chǎn)生 的最大指令條數(shù)，它表明遙控系統(tǒng)所能控制參量的多少和控制精度的髙低。誤指令率指錯誤接收指令 數(shù)在所發(fā)指令總數(shù)中所占的比例，它在一泄程度上說明遙控系統(tǒng)工作的可靠性。遙測系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)有精度、容量和可靠性。精度反映遙測終端輸出數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的符合程度， 遙測系統(tǒng)的精度用相對誤差（測疑參量的絕對誤差值與參疑最大值之比）來表示。一般情況下傳輸 對 系統(tǒng)精度影響較小，精度主要取決于傳感器。容量是衡疑遙測系統(tǒng)傳送遙測信息能力大小的指標(biāo)，它在 很大程度上決左了遙測系統(tǒng)所能完成功能的多少和完成質(zhì)疑的優(yōu)劣。在數(shù)值上它等于遙測系統(tǒng)各路所能 傳遞的信號頻帶之和。遙測系統(tǒng)的可靠性與遙測數(shù)據(jù)

13、獲取、傳輸和處理等環(huán)卩的軟、硬件可靠性密切相 關(guān)，可通過加強(qiáng)系統(tǒng)方案論證、分系統(tǒng)設(shè)汁、生產(chǎn)加工、設(shè)備鑒泄、使用維護(hù)以及從設(shè)備研制到使用的 管理等環(huán)節(jié)來提高。五、遙控遙測技術(shù)在航天技術(shù)中的應(yīng)用對相隔一立距離的對象的參量進(jìn)行檢測并把測得結(jié)果傳送到接收地點的技術(shù)。完成遙測任務(wù)的整套設(shè)備 稱遙測系統(tǒng)。航空航天遙測使用的傳送載體是無線電波，所以也稱無線電遙測。通過遙測可實時監(jiān)視飛 行器及其內(nèi)部主要設(shè)備的工作狀態(tài)和性能，及時了解航天員的生理狀況等。分析遙測數(shù)據(jù)可對設(shè)計作出 評價，為改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)，縮短飛行器的研制周期。（）發(fā)展槪況 遙測技術(shù)起源于19世紀(jì)初葉，航空、航天遙測技術(shù)則分別開始于20世紀(jì)30年

14、代和40年代。此后，遙 測廣泛用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)揮和航天器的試驗，也極大地促進(jìn)了遙測技術(shù)的發(fā)展。5060年代，隨著通 信理論、通信技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，遙測技術(shù)在調(diào)制體制、傳輸距離、數(shù)據(jù)容量、測量精度以及設(shè) 備小型化等方而都取得了很大的進(jìn)展。60年代以來，遙測技術(shù)發(fā)展的顯著特點是：遙測設(shè)備的集成化、 固態(tài)化、模塊化和計算機(jī)化，岀現(xiàn)了可編程序遙測和自適應(yīng)遙測。（二）工作原理 航空航天遙測系統(tǒng)可分為飛行器遙測設(shè)備（系統(tǒng)）和地而遙測設(shè)備（系統(tǒng)），前者主要由傳感器、多路 組合調(diào)制器、發(fā)射機(jī)和天線組成，后者主要由接收機(jī)和天線、分路解調(diào)器等組成（圖1）。傳感器的功能 是感受被測參量并轉(zhuǎn)換成電信號。各傳感

15、器的輸出信號（及其他需經(jīng)遙測系統(tǒng)傳送的信號）同時送入多路 組合調(diào)制器，各路信號按一泄體制組合起來，互不干擾地通過同一個無線電信道傳送出去。多路組合調(diào) 制器輸出的信號調(diào)制發(fā)射機(jī)的載波，通過天線發(fā)射出去。接收端天線接收信號后送入接收機(jī)。接收機(jī)把 組合信號解調(diào)出來，再經(jīng)分路解調(diào)器恢復(fù)路原始信息，加以記錄、處理和顯示?，F(xiàn)代廣泛應(yīng)用的信號 組合體制有時分制和頻分制兩種。圖1遙測系統(tǒng)方框圖時分制 按時間順序來區(qū)分通道（圖2）。采樣開關(guān)按順序?qū)Ω髀沸盘栄不夭蓸?，形成圖2b中陰影條 所示的一個綜合脈沖序列。接收端的分路解調(diào)器的分路開關(guān)與發(fā)送端的采樣開關(guān)同步工作，把各路信號 分開。如果脈沖序列中脈沖幅度反映被測

16、參數(shù)，則稱脈沖幅度調(diào)制（PAM）。如果采樣脈沖的寬度或位置 反映被測參數(shù)，則稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖位置調(diào)制（PDM、PPM）。如用一組編碼來反映被測參數(shù)，則稱 脈沖編碼調(diào)制（PCM）。這種脈沖序列調(diào)制到發(fā)射載波上的方式可以是頻率調(diào)制（FM）、相位調(diào)制（PH）和幅 度訓(xùn)制（AM）中的任何一種。時分制遙測系統(tǒng)常用的方式是PAM-FM和PCM-FMo時分制多用于被測信號較多 而變化緩慢的緩變參數(shù)的測量。其中PCM體制的應(yīng)用更為廣泛。圖2時分制工作原理頻分制 按不同的頻率來區(qū)分通道（圖3）。各路被測信號對各自的副載波調(diào)制，將這些調(diào)制后的信號 相加得到圖3b所示的頻譜。這一組合信號再去調(diào)制載波，經(jīng)天線發(fā)

17、出，在接收端經(jīng)載波解調(diào)后，用一組 濾波器濾出各路副載波，再怨自解調(diào)出信號。同樣，組合信號對發(fā)射載波的調(diào)制也可以采用上述三種方 式中的任何一種。頻分制遙測系統(tǒng)中常用的是FM-FM體制。頻分制多用于被測信號較少且變化較快的速 變參數(shù)的測量。一迷液器1% :調(diào)制器誌波器11'h 調(diào)制后的 臺成頻淸相加辭flfn圖3頻分制工作原理載人飛船中，遙測、遙控、電視和通信常常共用一個無線電信道，以便簡化設(shè)備和提高系統(tǒng)可靠性。多 級運(yùn)載火箭和航天器的遙測參數(shù)可多達(dá)數(shù)百路到數(shù)千路，而且有些參數(shù)的變化頻率高達(dá)數(shù)千赫，所以遙 測的信息量很大，常需要多套遙測設(shè)備并行工作，有時需要在飛行器上用磁記錄器記錄數(shù)據(jù)，以

18、后回收 磁帶，獲取遙測數(shù)據(jù)°飛行器上遙測設(shè)備的特點是：體積小、重量輕、功耗小、可乘性高、能在惡劣的 環(huán)境（低溫、振動、加速度、粒子輻射等）下正常工作。此外，遙測系統(tǒng)還應(yīng)具備使用靈活、能實時處 理數(shù)據(jù)的特點。對火箭和返回型航天器遙測還存在一個特殊問題：再入大氣層時，在飛行器周圍形成等 離子鞘，它強(qiáng)烈吸收和反射電磁波，使無線電遙測信號中斷。人們常采用兩種解決辦法：一種是把這段 時間的遙測數(shù)據(jù)暫存起來，待飛出這個黑障區(qū)后再快速重發(fā)到地面，這是“記憶重發(fā)法；另一種是用磁帶 把這段時間中的遙測數(shù)據(jù)記錄下來，以后回收磁帶。此外，在航天器越出地面接收站的接收范圍時或多 級火箭級間分離火焰造成信號中

19、斷以及導(dǎo)彈水下發(fā)射時，也常采用這兩種辦法獲得遙測數(shù)據(jù)。（三）航天遙測特點飛行器遙測的傳輸距離一般很遠(yuǎn)，尤其是航天遙測通常是幾百公里到幾千公里，甚至幾億公里。飛行器 上不可能安裝高增益天線，而且飛行器是運(yùn)動的，所以遙測站一般都采用高增益的大型自動跟蹤天線。在人造衛(wèi)星、載人飛船中，遙測、遙控、電視和通信常常共用一個無線電信道，以便簡化設(shè)備和提高系 統(tǒng)可靠性。多級運(yùn)載火箭和航天器的遙測參數(shù)可多達(dá)數(shù)百路到數(shù)千路.而且有些參數(shù)的變化頻率高達(dá)數(shù) 千赫，所以遙測的信息量很大，常需要多套遙測設(shè)備并行工作，有時需要在飛行器上用磁記錄器記錄數(shù) 據(jù)，以后回收磁帶，獲取遙測數(shù)據(jù)。飛行器上遙測設(shè)備的特點是：體積小、重量

20、輕、功耗小、可乘性 高、能在惡劣的環(huán)境（低溫、振動、加速度、粒子輻射等）下正常工作。此外，遙測系統(tǒng)還應(yīng)具備使用 靈活、能實時處理數(shù)據(jù)的特點。對火箭和返回型航天器遙測還存在一個特殊問題：再入大氣層時，在飛 行器周圍形成等離子鞘，它強(qiáng)烈吸收和反射電磁波，使無線電遙測信號中斷。人們常采用兩種解決辦 法：一種是把這段時間的遙測數(shù)據(jù)暫存起來，待飛岀這個黑障區(qū)后再快速重發(fā)到地面，這是記憶重發(fā)” 法；另一種是用磁帶把這段時間中的遙測數(shù)據(jù)記錄下來，以后回收磁帶。此外，在航天器越出地面接收 站的接收范圍時或多級火箭級間分離火焰造成信號中斷以及導(dǎo)彈水下發(fā)射時，也常采用這兩種辦法獲得 遙測數(shù)據(jù)。隨著計算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新遙測技術(shù)，即自適應(yīng)遙測，主要包含可變格式和數(shù)據(jù)壓縮技 術(shù)。在宇宙探索中，遙測技術(shù)幫助了解太陽系遙遠(yuǎn)天體上的氣溫、大氣構(gòu)成和表面情況；投放在敵方的遙測 儀器能傳回許多情報；取得導(dǎo)彈和飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)；收集核試驗情況也要乘遙測技術(shù)。在工業(yè)上遙測技 術(shù)使許多龐大的系統(tǒng)高效安全運(yùn)行，如電力、輸油、輸氣系統(tǒng)、城市自來水、煤氣和供暖系統(tǒng)等。在研 究動物的生活習(xí)性中，遙測技術(shù)也是有力的手段，動物帶上有傳感器的發(fā)報機(jī)后，在實驗室就可研究野 外動物的動態(tài)。遙測技術(shù)也用在醫(yī)學(xué)上，如測定宇航員和登山隊員身體