[科普中国]-遥测遥控系统

基本知识遥测

将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的技术。遥测是利用传感技术、通信技术和数据处理技术的一门综合性技术。遥测主要用于集中检测分散的或难以接近的被测对象，如被测对象距离遥远，所处环境恶劣，或处于高速运动状态。遥测在国民经济、科学研究和军事技术等方面得到广泛应用。利用遥测可以实现集中监测，提高自动化水平，提高劳动生产率，改善劳动条件，提高调度质量。遥测为科学研究提供了一种重要的测试手段，使原来难以进行实测的研究项目，取得重要的动态性能数据。

遥控通过通信媒体对远距离被控对象进行控制的技术。由操作装置、编码装置、发送装置、信道、接收装置、译码装置和执行机构等组成。按信道介质，分有线遥控、无线遥控和光遥控；按操纵信号的传输方式，分单通道遥控和多通道遥控等。被控对象按分布位置，分集中型的(如工厂、电站等)和分散型的(如传输线等)。1

工作原理
在应用中，遥控系统和遥测系统除分别用于对各种运动或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和控制的重要依据；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和遥测的工作原理。

测控系统由遥测分系统、测控中心和遥控分系统三部分组成。遥测分系统包括传感器、遥测数据传输设备和遥测终端，遥控分系统包括指令产生器、指令传输设备、指令检出器和执行机构，测控中心主要是操作员和或计算机。测控对象可以是运动中的卫星、飞船、飞机、飞艇、车辆和舰只等物体，也可以是电力网、输油送气的管线和水库等固定的设施。2

传感器负责规定参量的采集和转换，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和转换元件两部分，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。

传输系统分有线电和无线电两类。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，传输遥控指令和遥测数据的设备主要有发端的多路复用调制器、发射机、发射天线和收端的接收天线、接收机、分路解调器。

遥测终端有显示、记录和处理设备，它对接收到的信号进行显示、记录和分析处理，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和控制效果，优化管理与控制的重要依据。

指令产生器主要包括变换器和编码器。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和指令判决器。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和保密判决。

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、显示和分析处理，向测控中心送去测控对象的状态及参量变化信息。测控中心的操纵员和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、抗干扰判决和保密判决，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和或传感器工作进行控制与管理。

关键技术遥控和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、提高遥控指令和遥测数据传输可靠性的抗干扰技术和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、电动力学和量子力学等理论，开发并运用各种敏感材料和器件，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，例如光量和光参量）的存在及变化的技术。传感器有结构型和物性型两种。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，将敏感功能和转换功能合二为一，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和扩频技术。差错控制的实质是根据信道情况和误比特率要求，用频带和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）和混合纠错（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和较好的适用性，又有技术上的可实现性和较好的经济性。

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和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和适当的调制、解调方式，以及采用频域均衡或时域均衡等。

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和性能，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。

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年代和40年代。此后，遥测广泛用于飞机、火箭、导弹和航天器的试验，也极大地促进了遥测技术的发展。50～60年代，随着通信理论、通信技术和半导体技术的发展，遥测技术在调制、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、模块化和计算机化，出现了可编程序遥测和自适应遥测。3

航天遥测遥控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、电视和通信常常共用一个无线电信道，以便简化设备和提高系统可靠性。多级运载火箭和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。对火箭和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，它强烈吸收和反射电磁波，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。

随着计算机和微电子技术的发展而出现的新遥测技术，即自适应遥测，主要包含可变格式和数据压缩技术。

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、大气构成和表面情况；投放在敌方的遥测仪器能传回许多情报；取得导弹和飞机的飞行数据；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、煤气和供暖系统等。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，如测定宇航员和登山队员身体情况。医术高明的大夫利用遥测技术能为偏僻地区的病人服务。

现状与展望遥控遥测产业虽然占领了经济、军事和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和油、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、水电设施和电力网运行状况的监控管理和输送油、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和质量，改善监控系统的可靠性和精确性，以提高所监控管网的安全性和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。