遥控遥测技术及其在航天技术中的应用

遥控遥测技术及其在航天技术中日勺应用

丁亮

南京信息工程大学滨江学院电子信息工程专业，

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，它们都是通过有关信息

技术设备构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，使人们可以突破时空限制对多种集中、固定的设备和分散、运动的目的以及相距遥远、

处在恶劣环境的物体进行测控C伴随微电子、计算机、通信、传感器和自动控制等有关信息

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。

关键词：遥控；遥测；航天技术

一、遥控遥测日勺发展及应用

遥控综合应用指令生成、传播、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袭击地面固定HI1勺，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

增进，航天事业的兴起则为遥控技术口勺应用开辟了又一种新的天地，把遥控推向一种新的发展阶段。

遥测综合应用传感器、数据传播和信号处理等信息技术对相隔一定距离U勺被测对象上的参量正行测量，提

高了人类认识事物的能力，它最早出目前十九世纪初。由于有关基础信息技术口勺牵制，它初期发展比较缓

慢,二十世纪中期，在微电子和计算机等基础信息技术发展H勺推进下，遥测技术才得到广泛应用。

宇航部门在航天器试验阶段，运用遥测系统获取航天器各系统工作状态参数和环境数据，为检查航天器

性能、分析故障和实行遥控提供根据；在航天器运行阶段，运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。

二、遥控遥测系统日勺工作原理

在应用中，遥控系统和遥测系统除分别用于对多种运动/固定日勺物体进行遥控或遥测外，还常常集成为•

种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口勺工作状态参数，作为遥控分

系统对其进行管理和控制的重要根据：遥控日勺效果再由遥测分系统反馈到测控中心作为下次遥控H勺参照。

下面通过测控系统来看遥控和遥测H勺工作原理。

测控系统由遥测分系统、测控中心和遥控分系统三部分构成。遥测分系统包括传感器、遥测数据传播设备

和遥测终端，遥控分系统包括指令产生器、指令传播设备、指令检出器和执行机构，测控中心重要是操作

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II勺管线和水库等固定II勺设施。

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状况而不一样。

传感器一般包括敏感元件和转换元件两部分，敏感元件感受规定II勺参量，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播系统输入端规定的信号。一种测控系统一般具有若干个传感器。

传播系统分有线电和无线电两类,有线电传播系统以电线、电缆或光缆为传播媒质，具有抗干扰性强、保

密性好的长处，但机动性差、远距离使用成本较高。无线电传播系统运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、机动内特点，但易受干扰、保密性较差，重要用于活动目的间、固定测控站与

活动目时间以及远距离传送信息,无线电遥控遥测系统中，传播遥控指令和遥测数据的设备重要有发端依J

多路更用调制综合器、发射机、发射天线和收端的接受天线、接受机、分路解调器。

遥则终端有显示、记录和处理设备，它对•接受到的信号进行显示、记录和分析处理，得到测控对象的状态

及参量变化数据，作为测控中心理解被控对•象状况和控制效果，优化管理与控制的重要根据。

指令产生器重要包括变换器和编玛器。变换器的作用是把操纵员或计算机H勺命令变换为指令信号，编码器

H勺作用是产生多种控制指令，并根据变换器送来时指令信号选择对应日勺控制指令由指令传播设备送往被

测控端。

指令检器重要包括解码器和指令判决器。解码器的功能是对指令传播设备输出H勺控制指令进行解码识

别；指令判决静重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，传感器中日勺敏感元件感受规定日勺被测控对象有关参量，转换元件按•定规

律将此参量转换成符合传播设备输入端规定日勺信号；遥测数据传播设备运用频分、时分或码分多路信息传

播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；测控端对接受到日勺综合信

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II勺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

被控对象有关参数及其变化数据，结合控制的需要，产生对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对应控制指令，然后由指令传播设备将此控制指令

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"勺命令送到执行机构变换为控制执行元件的信号，使执行元件产生对应的动作对测控对象和/或传

感器工作进行控制与管理。

三、遥控遥测日勺关键技术

遥控和遥测的关键技术重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播可靠性

的抗干扰技术和满足传播高速率遥测数据需求的高速数据传播技术。

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，开发并运用多种敏感材料和器件，感

知力、热、声、光、电、磁、气、湿等多种物理量的存在及变亿，并将其转换为电量或电参量(也可为其

他合适的物理量，例如光量和光参量)的存在及变化日勺技术。传感器有构造型和物性型两种。构造型传感

器原理简朴、性能稳定可靠，应用最为普遍：物性型传感器直接运用材料效应，将敏感功能和转换功能合

二为一，具有构造紧凑、体积小、重量轻、响应速度快等长处。

抗干扰技术重要是差错控制技术刑扩频技术。差错控制H勺实质是根据信道状况和误比特率规定，用频带和

设备复杂性换性能的I措施控制数据传播的I质量，以获得尽量高的效费比。差错控制措施重要有前向纠错

(FEC)、反馈重发(ARQ)和混合纠错(HEC)三种。犷频指用与信息无关的伪随机码扩展泉频信号带宽

使其远不小于发送信息所需的最小带宽。扩展信号频谱的措施重要是直接序列调制、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J方式对抗干扰；跳频是使载频在较宽的

频带范围内跳变，以规避的方式对抗干扰：它们的组合，即在直接序列扩频H勺基础上增长载波频率跳变的

功能，则使信息传播系统既具较强的I抗干扰能力和很好H勺合用性，又有技术上口勺可实现性和很好的经济

性，

传播高速率数据既要考虑频率资源，又要考虑传播质量。处理频率资源问题日勺技术措施重要是提高传播系

统工作频段以增长频率资源，提高频带运用率充足运用频率资源和合理使用节省频率资源。提高传播系统

传播质量的技术措施有合理设计基带信号，选择合适传送高速率数据的编译码体系和合适的调制、解调方

式，以及采用频域均衡或/和时域均衡等。

四、重要技术参数

遥控系统的重要技术参数是可靠性、指令容量和误指令率。可靠性阐明系统在规定条件下和规定期间内完

毕规定功能的能力，它是遥控系统最重要U勺技术参数，常用平均故障间隔时间(MTBF)度量。根据不一样

日勺用途，遥控系统口勺MTBF数值一般在几十至儿百之间。指令容量即指令产生器中的编码器也许产生的

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下。误指令率指错误接受指令数在

所发指令总数中所占口勺比例，它在一定程度上阐明遥控系统工作口勺可靠性。

遥则系统的重要技术参数有精度、容最和可靠性。精度反应遥测终端输出数据与原始数据口勺符合程度，遥

测系统的J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）来表达。一般状况下传播对系统

精度影响较小，精度重要取决于传感器。容量是衡量遥测系统传送遥测信息能力大小的J指标，它在很大程

度上决定了遥测系统所能完毕功能的多少和完毕质量的优劣。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、传播和处理等环节的软、硬件可靠性亲密有关，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•定距离的对象H勺参量进行检测并把测得成果传送到接受地点的技术。完毕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，因此也称无线电遥测。通过遥测可实时监视飞行器

及其内部重要设备的工作状态和性能，及时理解航天员的生理状况等。分析遥测数据可对设计作出评价,

为改善设计提供根据，缩短飞行器的研制周期。

（一）发展概况

遥测技术来源于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、导弹和航天器日勺试验，也极大地增进了遥测技术的发展。50〜60年代，伴随通信理

论、通信技术和半导体技术的发展，遥测技术在调制体制、传播距离、数据容量、测量精度以及设备小型

化等方面都获得了很大H勺进展。60年代以来，遥测技术发展的明显特点是：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。

（-）工作原理

航空航天遥测系统可分为飞行器遥测设备（系统）和地面遥测设备（系统），前者重要由传感器、多路组

合调制器、发射机和天线构成，言者重要由接受机和天线、分路解调器等构成（图1）。传感器H勺功能是

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）同步送入多路组合

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种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H勺载波，通过天线发射出去。接受端天线接受信号后送入接受机。接受机把组合信号

解调出来，再经分路解调器恢更各路原始信息，加以记录、处理和显示。现代广泛应用的信号组合体制有

时分制和频分制两种。

图1遥测系统方框图

时分制准时间次序来辨别通道（图2）。采样开关按次序对各路信号巡回采样，形成图2b中阴影条所

示的一种综合脉冲序列。接受端的J分路解调器的分路开关与发送端口勺采样开关同步工作，把各路信号分

开，假如脉冲序列中脉冲幅度反应被测参数，则称脉冲幅度调制（PAM）。假如采样脉冲的宽度或位置反

应被测参数，则称为脉冲宽度调制或脉冲位置调制（PDM、PPM）。如用一组编码来反应被测参数，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）和幅度调

制（AM）中的任何一种。时分制遥测系统常用日勺方式是PAM-FM和PCM-FM。时分制多用于被测信号较多而变

化缓慢的缓变参数日勺测量。其中PCM体制口勺应用更为广泛。

图2时分制工作原理

频分制按不一样的频率来辨别通道（图3）。各路被测信号对各自的副载波调制，将这些调制后H勺信

号相加得到图3b所示H勺频谱。这一组合信号再去调制载波，经天线发出，在接受端经载波解调后，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口勺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FM-FM体制。频分制多用于被测信号较少且变化较快H勺速

变参数的测量。

图3频分制工作原理

载人飞船中，遥测、遥控、电视和通信常常共用一种无线电信道，以便简化设备和提高系统可靠性。多

级运载火箭和航天器H勺遥测参数可多达数白路到数千路，并且有些参数的变化频率高达数千赫，因此遥

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捱，后来回收

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、粒子偏射等）下正常工作。此外，遥测系统还应具有使用灵活、能实时处理数

据H勺特点°对火箭和返I可型航天器遥测坏存在一种特殊问题：再入大气层时，在飞行器周围形成等离子鞘.

它强烈吸取和反射电磁波，使无线电遥测信号中断。人们常采用两种处理措施：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迅速重发到地面，这是“记忆重发”法；另一种是用磁带把这段时

间中日勺遥测数据记录下来，后来回收磁带。此外，在航天器越出地面接受站口勺接受范围时或多级火箭级间

分离火焰导致信号中断以及导弹水下发射时，也常采用这两种措施获得遥测数据。

（三）航天遥测特点

飞行器遥测的传播距离•般很远，尤其是航天遥测•般是几百公里到几千公里，甚至几亿公里。飞行器上

不也许安装高增益天线，并且飞行器是运动的，因此遥测站i般都采用高增益的人型自动跟踪天线。在人

造卫星、载人飞船中，遥测、遥控、电视和通信常常共用•种无线电信道，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，并且有些参数的变化频率高达数千赫，因

此遥测的信息量很大，常需要多套遥测设备并行工作，有时需要在飞行器I•.用磁记录器记录数据，后来

回收磁带，获取遥测数据。飞行器.上遥测设备的I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，遥测系统还应具有使用灵活、能实时处

理数据的特点。对火窗和返回型航天器遥测还存在•种特殊问题：再入大气层时，在飞行器周围形成等离

子鞘，它强烈吸取和反射电磁波，使无线电遥测信号中断。人们常采用两种处理措施：•种是把这段时间

II勺遥测数据暂存起来，待飞出这个黑障区后再迅速重发到地面，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，后来回收磁带。此外，在航天器越出地面接受站的接受范围时或多级火

管级间分离火焰导致信号中断以及导弹水下发射时，也常采用这两种措施获得遥测数据。

伴随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，重要包括可变格式和数据压缩技

术,

在宇宙探索中，遥测技术协助理解太阳系遥远天体上的气温、大气构成和表面状况；投放在敌方的遥测仪

器能传向许多情报；获得导弹和飞机的飞行数据：搜集核试验状况也要靠遥测技术。在工业上遥测技术使