遥控遥测第1章课件

1、现代测控技术与系统西安交通大学韩九强 主编第1章 绪论 测控系统的基本概念、系统构成、发展趋势 基于网络的测控技术 基于机器视觉的测控技术 基于无线通信的测控技术 基于雷达的测控技术 基于GPS的测控技术 基于虚拟仪器的测控技术课程内容1.1 测控技术在自动化中的应用 传感器从传统的压力、温度、流量和液位四大热工量的测量发展到目前具有光、电、磁、力及生物信息的感知，光纤、光栅等光敏传感器，DNA、免疫等 生物信息传感器，超声波等声敏传感器，可燃性气体、氧气、电子鼻等气敏传感器，可见光、红外光等图像传感器等 。 现代测控技术的发展 表1-1 各种遥控方式比较表遥控方式传输距离发射频率发送方式接收

2、方式 应用场合光控近距离自然光、人工光源作发射器光电器件接收家用电器、工业控制声控210m2020kHz说话声音、脚步声、敲击声等振动波作发射器声传感器压电陶瓷片、驻极体话筒接收转变为电信号家用电器、工业、报警等热释电近距离 40kHz热释电传感器产生发送信号热释电红外接收器家用电器、工业、报警等超声波1015m40kHz超声波发射器、超音频振荡器、驱动电路传送40kHz超音频信号超声接收器，放大、解调、锁存、驱动等探测、家电、开关电路、调速、医疗等红外线1015m40kHz采用红外发射器件传送遥控命令，具有方向性不能跨越墙壁阻挡红外器件接收后，把红外光转变为电信号生产、生活、军事、医疗等无线

3、电2m2000km2738MHz4048.5MHz150167MHz 具有方向性，可以向四周辐射，能够穿越墙壁和障碍物遥控远距离选择性好、灵敏度高；稳定可靠。再生与超外差接收方式军事、国防、工农业生产、体育运动、日产生活等无线电遥控系统原理分析举例：无人驾驶飞机 无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆

4、过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等 举例: 红外自动水龙头控制器: 1.1 测控技术在自动化中的应用 控制器从早期的单片机、PLC、个人计算机发展 到工控机和嵌入式机，嵌入式计算机与测控仪器设备日渐趋同，具有全局意义上的相通性；软件技术的发展为测控系统的网络化、远程控制提供可靠的技术支持。现代测控技术的发展1.1 测控技术在自动化中的应用 测控设备软件化 测控过程智能化 高度的灵活性 较强的实时性 可视性 测控管一体化 立体化现代测控系统的特点1.2 现代测控系统的结构与设计基于DAQ体系的结构模型现代测控系统

5、的结构模型1.2 现代测控系统的结构与设计基于网络的测控系统模型：基于现场总线1.2 现代测控系统的结构与设计基于网络的测控系统模型：测控管一体化模型1.2 现代测控系统的结构与设计现代测控系统的设计方法硬件设计：约束条件，系统模块设计技术，系统设计技术。软件设计：尽可能用软件替代硬件。网络互联规范：统一的机械特性，统一的电气标准，统 一的指令系统。抗干扰技术：误差修正，数据处理技术，电路抗干扰技术。1.3 现代测控技术的分类 基于网络的测控技术 基于机器视觉的测控技术 基于无线通信的测控技术 基于雷达的测控技术 基于GPS 的测控技术 基于虚拟仪器的测控技术1.4 现代测控技术与系统发展方向

6、 小型化与微型化 网络化 虚拟化 智能化 空间化与大型化雷达的发展 Radar: Radio Detection and Ranging 无线电探测和测距。雷达的发展史：1936 年使用声波探测飞机，测量最远距离13KM。1904 年德国克里斯蒂安许尔斯迈尔取得原始雷达设计专利。30 年代，电子科学发展，使制造雷达成为可能。1936 年6 月，英国罗伯特沃森瓦特，使雷达测距范围达到27KM， 1 个月后达到65KM，之后发展到88 公里。例如CH 雷达。1938 年 测距范围达到200 公里，在泰晤士河口，组成200KM 范围内的雷达网早期任务：测距、探测现代任务：获取距离、角度、速度、形状、

7、表面信息特性等雷达探测原理GPS的产生,发展及应用GPS全球定位系统：是由美国投资300亿美元建立起来的服务于全球的卫星导航与定位系统。GPS定位的原理： P(Px,Py,Pz) P(Px,Py,Pz,t) 第一代卫星导航系统的产生与发展1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1958年12月美国建立 “子午卫星系统”Transit1965年前苏联建立了“卫星导航系统”CICADA1967年美国宣布解密子午卫星系统的部分导航电文供民间使用。第二、三代卫星导航系统：1973年12月美国开始建立新一代的卫星导航系统GPS全球定位系统 （Global Positioning System)

8、该系统分三个阶段进行： 1.论证方案阶段：1973年12月组成联合办公室。 2.工程研制阶段：1978年2月22日第一颗GPS试验卫星发射成功。3.生产作业阶段： 1989年2月14日第一颗GPS工作卫星 发射成功。 1994年6月完成第二代卫星发射。 1996年开始发射第三代（Block IIR)卫星。GPS的特点(一)GPS相对于其它导航系统的特点 1.全球地面连续覆盖。 2.功能多，精度高。 3.实时定位速度快。 4.抗干扰性能好，保密性强。(二)GPS应用于定位方面的特点1.观测站之间无需通视。2.定位精度高。3.观测时间短。4.提供三维坐标。5.操作简便。6.全天候作业。三、利用GP

9、S的限制与相应措施(一)美国对利用GPS的限制政策美国实行所谓“选择可用性” SA政策 (Selective Availability)提供两种定位服务方式： 1.精密定位服务(PPS)P码 (精码) 2.标准定位服务(SPS)C/A码(粗码) （二)用户摆脱SA限制政策的措施： 1.建立独立的GPS卫星测轨系统。 2.建立独立的卫星导航与定位系统。我国的北斗导航试验卫星定位原理图四、GPS的广泛应用（一）、GPS在军事上的应用 1.GPS在海湾战争中的应用 2.GPS应用于B-52、F-16 3.精确标定战场重点设施的位置 4.用于空战指挥和控制 5.GPS用于地面部队 6.用于扫雷1.GP

10、S在汽车导航和城市交通管理中 的应用飞速发展的GPS民用2.GPS用于农业3.GPS用于绘制道路图4.GPS用于救援5.GPS用于森林防火6.GPS用于地震预报7.GPS用于大坝及地面沉降的监测 19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物K3齐奥尔科夫斯基(OHCTaHTHH3ayap且oBHq UHOaKOBCKHfi)，R戈达德(Robert Goddard)，H奥伯特(Hermann Oberth)。 近代航天技术的发展(科普)K3齐奥尔科夫斯基R戈达德 前苏联科学家齐奥尔科夫斯基一生从事利用火箭技术进行

11、航天飞行的研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明了用多级火箭可以克服地心引力进入太空的论点。现代宇航之父齐奥尔科夫斯基齐奥尔科夫斯基的贡献 1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。 2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。 3、指出过用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力；并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。 4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵

12、来控制火箭，用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。 美国的火箭专家、物理学家和现代航天学奠基人之一戈达德博士在1910年开始进行近代火箭的研究工作，他在1919年发表的达到极大高度的方法的论文中，阐述了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有79 kms的速度才能克服地球的引力，并研究了利用火箭把有效载荷送至月球的几种可能方案。美国科学家戈达德（18821945） 德国的奥伯特教授在他1923年出版的飞向星际空间的火箭一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够的推力，便能绕地球轨道飞行。同齐奥尔

13、科夫斯基和戈达德一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的研究。 在1932年德国发射A2火箭，飞行高度达到3 km。1942年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹V2(A4型)，并于1944年9月6日首次投入作战使用。德国弹道导弹发射升空的情景 在第二次世界大战中设计了V2火箭并为宇宙探索作出了重大贡献的冯布劳恩博士 V-2的成功在工程上实现了19世纪末、20世纪初航天技术先躯者的技术设想，并培养和造就了一大批有实践经验的火箭专家，对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。V-2的设计虽不尽完善，但它却是人类拥有的第一件向地球引力挑战的工具，成为航天技术发展史上的一个重要里

14、程碑。 V-2火箭1957年10月4日，前苏联用“卫星”号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外径O58 m，外伸4根条形天线，质量836 kg，卫星在天上正常工作了3个月。按照今天的标准衡量，前苏联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志着人类活动范围的又一飞跃。 1.1.3 现代航天的里程碑1960年3月11日，美国发射了“先驱者5号”探测器，它成为人类第一个深空探测器，从3.6510km远处发回了探测数据。“先驱者号”探测器1961年2月21日，前苏联发射了“金星1号”探测

15、器，开始了人类对太阳系行星的探测。“金星号”探测器1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一艘“东方号”载人飞船，尤里.加加林成为人类第一位航天员，揭开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时代。尤里加加林1962年8月27日，美国发射的“水手2号”探测器第一次成功飞越金星。“水手2号”探测器1964年11月28日，美国发射的“水手4号”探测器第一次成功飞越火星。“水手4号”探测器1965年3月，前苏联航天员从“上升号”载人飞船上走出舱外，实现了人类第一次太空行走。“上升号”载人飞船1966年1月，前苏联两艘“联盟号”飞船第一次在轨道上成功交会对接，并实现了两位航天员从一艘飞船向另一艘

16、飞船的转移。“联盟号”飞船1969年7月20日，美国NA阿姆斯特朗和EE奥尔德林乘坐“阿波罗11号”飞船登月成功，在月球静海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面照片，搜集了22种月球岩石与土壤样品，然后自月面起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登上月球的理想。 NA阿姆斯特朗EE奥尔德林1971年4月19日，前苏联“礼炮1号”空间站入轨成功，其质量约18 t，总长14 m，轨道高度200250 km，轨道倾角516度，成为人类第一个空间站，完成了有关天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计划，考察地球资源和进行长期失重条件下的技

17、术实验。1972年3月2日，美国发射了木星和深远空间探测器“先驱者10号”。它携有表明人类信息的镀金铝板，经过11年飞行，于1983年6月越过海王星轨道，而后成为飞离太阳系的第一个人造天体。1975年6月8日，前苏联发射了“金星9号”探测器，实现了在金星表面着陆。1975年7月18日，美国“阿波罗号”飞船与前苏联“联盟19号”飞船在大西洋上空对接成功。1975年8月20日，美国发射了“海盗1号”探测器，第一次在火星表面着陆成功。1977年9月，美国发射了“旅行者2号”探测器，对天王星、海王星进行探测。“阿波罗号”飞船与前苏联“联盟19号”飞船在大西洋上空对接记录片1981年4月，世界上第一架垂

18、直起飞、水平着陆、可重复使用的美国航天飞机“哥伦比亚号”试飞成功，标志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使用的航天运载器的新阶段，是航天史上一个重要的里程碑，标志着人类在空间时代又上了一层楼，进入了航天飞机时代。至2000年10月，航天飞机已成功飞行100次。 “哥伦比亚号”航天飞机首飞记录片1986年2月，前苏联“和平号”轨道空间站发射成功，它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天器，在轨运行超过15年。2001年3月23日，“和平号”轨道空间站被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史使命。 “和平号”轨道空间站目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿大、日本、意大利和欧洲空

19、间局的合作下，正在进行在轨组装建设人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门! 不难看出，从公元10世纪的中国火箭到第二次世界大战的V一2导弹，人类是出于军事需求发展了火箭技术，而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自20世纪40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋完善。 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察

20、、通信、导航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。 1.1.4 现代航天技术的应用回顾近50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大事列举如下：1958年12月，美国发射了世界上第一颗通信卫星“斯科尔号”；1960年4月，美国先后发射了世界上第一颗气象卫星“泰罗斯1号”和导航卫星“子午仪1B号”；1963年7月，美国发射了世界上第一颗地球同步轨道通信卫星；1964年8月，美国发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星；1965年4月，美国成功地发射了世界上第一颗商用通信卫星“国际通信卫星1号”，正式为北美与欧洲之间提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段；1972年7月，美国发射了世界上第一颗地球资源卫星“陆地卫星1号”；1982年11月，美国航天飞机开始商业性飞行；1984年11月，美国航天飞机成功地施放了两颗卫星并回收了两颗失效的通信卫星，第一次实现了双向运载任务；