遥控遥测技术漫谈

 

遥控遥测技术漫谈

 

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、固定的设备和分散、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、传感器和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、科技进步和人民物质文化生活水平的提高中发挥着越来越大的作用。

1  遥控遥测的发展及应用

遥控综合应用指令生成、传输、检出和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和控制无人驾驶小艇。第一次世界大战后，法国和德国相继进行了应用无线电遥控技术控制无人驾驶飞机和舰艇的尝试，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。美国和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、数据传输和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，在微电子和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。

我国遥控遥测产业经过40多年的发展，研究水平不断提高，应用领域不断扩大，目前，遥控遥测产业已在军事和水利、电力、水文、热力、石油、化工、煤炭、交通、地质、地震、气象、海洋、航空、航天、医疗和环境保护等数十个国民经济部门发挥着巨大的作用。

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和环境数据，为检验航天器性能、分析故障和实施遥控提供依据；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和航天器各系统工作状态参数，以此判断航天器工作状态、宇航员身体状况和对航天器及其有效载荷进行控制。

电力部门应用遥测技术对电力系统主要点的电压、发电功率、线路输送功率等参量和断路器开合等状态进行监测，使调度人员能够全面掌握电力网运行状况，及时发现、处理故障和对电力系统进行高水平的协调管理，提高系统运行稳定性和经济性。

水利部门通过水文遥测掌握江河流域的降水量、水位、流量、含沙量、日蒸发量及水库闸门上、下水位，出、入库流量和含沙量以及闸门开启度等水文数据和水利设施状态参数，为优化水利调度和防洪决策服务。

气象部门运用遥测遥控技术在条件恶劣的地方建立无人值守气象站，自动测量温度、相对湿度、气压、风向、平均风速、最大风速、累计雨量等气象参量的数据，并通过气象卫星转送到数据收集站，为积累该地区气象资料和准确进行气象预报提供支持。

军事、科研部门应用遥控技术于各种无人平台及武器试验的控制，例如无人驾驶飞机、舰艇和车辆的控制，运载火箭和远程导弹发射的安全控制以及原子弹爆炸的控制等，以保障武器试验的进行和促进军事技术装备的发展。

城市公用设施管理部门应用遥控遥测技术对城市各类管网进行监控，以便实时掌握整个管网运行情况，切实保障管网安全运行，实现对自来水、煤气和热力资源等的科学调度管理。

医疗部门应用遥测技术对活动或固定人员的脉搏、呼吸、体温、血压等各种生理参量进行检测，为病情诊断、病员监护和保健管理提供依据；体育部门运用生物遥测技术测量运动员训练时生理参量的变化，了解运动员体能情况，作为制定训练计划的参考，提高训练的科学性；野生动物资源保护部门应用遥测技术测量熊猫、白暨豚等珍贵动物的生理参量，为生态研究提供翔实的数据，等等。

可以相信，在国防建设、科学研究和国民经济发展需求的牵引下，遥控 遥测技术的应用将进一步扩大。

2  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/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。

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综合器、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。

3  遥控遥测的关键技术

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/和时域均衡等。

4  主要技术参数

遥控系统的主要技术参数是可靠性、指令容量和误指令率。可靠性说明系统在规定条件下和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和控制精度的高低。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、容量和可靠性。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和完成质量的优劣。在数值上它等于遥测系统各路所能传递的信号频带之和。遥测系统的可靠性与遥测数据获取、传输和处理等环节的软、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。

5   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。

可以说，从飞机、车辆、舰艇等各种武器平台的无人化，到各种安全防范系统和新型家电遥控产品，都有尚待遥控遥测产业深入开发的市场。

6  主要生产与研究机构

从事遥控遥测技术研究和系统设备研制的单位不少，最著名的是中国电子科技集团公司第54研究所和中国航天工业总公司第704研究所。54所长期以来一直从事遥控遥测技术研究，开发研制了无人机无线电统一测控系统，飞船、卫星测控系统以及电力负荷控制、水文自动测报、自来水厂监控等大量遥控遥测系统设备，为我国遥控遥测事业的发展做出了巨大贡献。704所长期从事航空航天领域的遥测技术研究和系统开发，研制了大量航空航天遥测系统设备，是我国遥测界的排头兵。

7  发展前景

人类正在步入信息时代，社会发展对遥控遥测的需求日益增长。在生产中，人们要利用它及时发现、排除设备故障，保障系统正常工作，提高产品质量和劳动生产率。在军事斗争中，军事人员要借助它了解敌情、控制兵器，提高作战能力。随着微电子、计算机、传感器、通信和自动控制等信息技术的发展，遥控遥测设备进一步小型化、多功能化，遥控遥测系统性能进一步提高，作为扩展人们认识事物的时空、提高人们改造世界能力的遥控遥测产业，将进一步受到人们青睐。在即将到来的信息社会，必将有一个大的发展。