浅析测控技术论文、浅析测控技术在“墨子”号中的应用

一、背景简介

墨子号量子科学实验卫星（简称墨子号如图1），于2016年8月16日1时40分，在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。中国量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。 2017年1月18日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在圆满完成4个月的在轨测试任务后，正式交付用户单位使用。2017年8月，墨子号实现量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态三大目标，这标志着“墨子号”预先设定的三大科学目标全部圆满完成。

图1 “墨子”号

在敬仰国之重器的同时，立足自身所学思考，在“墨子”号从设计到制造，从研究到发射，测控技术的应用无处不在，本文中主要从电子技术、航天技术两个方面对“墨子”号中的测控技术应用进行探讨。

二、测控技术基本概念

测控技术作为现代电子信息技术中的重要组成部分，从本质上来看，测控可以分为测、控两方面，分为起到对设备的测量和控制功能。测量是指经过对物体数量的概括、描述以及认识客观的事物，进一步了解事物的本质并探究其内部规律的措施，一般来说测量包括长度、面积、体积和密度等方面，以确定设备的物理参数。

而在深层次角度来看，测量包括测量对象、测量实施者、测量仪器、测量科学理论以及测量环境，主要工作目标在于确定被测量的量值。控制是通过工作人员对设备的操作干涉，实现设备的发展趋向于预定的方向，在现代测控技术的应用当中，控制功能一般具有自动化的特点，并且在测控技术工作流程内，以测量功能所得出的结果，能够实现对设备的精确分析判断，进而将自动控制功能更加精确的对设备做出安排和指令。

三、基于电子技术领域的应用

（一）传感技术

传感技术是测控技术的主要应用方式，在“墨子”号的身上，我们可以发现其涉及了智能传感技术、数字传感技术、集成传感技术、网络传感技术和气体传感技术等多种应用方式。图2展示了目前应用这些技术的航天器分布。在这些应用方式中，最为常见的是数字传感技术，通过数字传感器良好的转化功能，将信号以图像方式进行反馈，为工作人员提供直观的监控视角，从而实现更好的发现问题和解决问题。而通过集成传感技术，可以对“墨子”号的周身环境进行测量，充分精确地了解“墨子”号的状态，对应激状态可以及时地调整。“墨子”号的推进燃料燃烧后产生的气体由气体传感技术进行监控，通过对气体的敏感度，将气体状态与浓度的变化进行有效监控，方便工作人员实时进行控制，为“墨子”号提供安全保护。“墨子”号作为具有里程碑意义的信息传递卫星，网络传感技术是必不可少的测控技术，通过网路传感技术的高精确度和快捷的信息传输能力，为“墨子”号的完美运行奠定基础。

图2 各种高度航天器示意图

（二）远程测控技术

远程测控技术是测控技术在电子技术的应用当中，二者不断结合，功能逐渐拓展衍生出一种应用方式。在“墨子”号中，通过互联网技术的应用，实现极大程度提高工作的效率，并且能够实现长距离跨空间的测控功能。在遥远太空中的“墨子”号，进行一系列的数据采集传输工作后，由地面基站的远程测控系统进行跟踪完成测轨、遥测、遥控等功能，这种远程测控系统的关键是要是射频模块的接收灵敏度和发射功率足够高。远程测控系统除去在“墨子”号上的应用外，在目前也被应用于工程监督，通过监控系统的布置，管理人员即可实现在总站对多个项目的现场实际情况进行分析，及时发现现场不合理因素，并进行统筹规划调整，以避免由于隐患所造成的事故，对施工期间造成大量的经济损失和人员伤亡，并且在一些核电设备、地下煤矿等工程开展期间，通过远程测控技术的应用，能够对地下高危区域进行监管，防止灾害发生时工作人员出现危险。

四、基于航天技术领域的应用

（一）航天测控系统与航天测控网

航天测控系统是指对运行中的航天器（运载火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和其他空间飞行器）进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。航天测控网是指对运载火箭和航天器进行跟踪、测量和控制的专用网络系统。一般由航天指挥控制中心和若干测控站（含测量船、测量飞机、跟踪与数据中继卫星）及测控通信系统组成。航天测控网具有对运载火箭和航天器进行跟踪测最、遥测、遥控、数传等功能。 工作内容主要包括：跟踪测量肮天器，确定其运行轨道；接收、处理航天器的遥测数据，监视其工作状况；依据航天器的工作状态和任务，控制航天器的姿态、运行轨道；接收和分发有效载荷数据；实时提供航天器的遥测信息、运行轨道和姿态等数据，接收仿真数据．并形成故障处理对策；与载人航天器上的航天员进行通信联络。图3展示了中国现阶段载人航天工程的系统构成。

航天测控技术主要作用是对航天器进行跟踪测量，获取其运动参数和内部的各种物理、 工程、宇航员生理以及侦察参数，监视其飞行和内部工作状态，为指挥、控制提供信息；对运载火箭实施控制，确保试验安全；对卫星实施控制，支持其正常运行；通过对实测数据的处理、分析，为评价航天器的技术性能和改进设计提供依据：进行天地各类业务信息交换和数据传输。航天测控技术对于“墨子”号的发射、在轨运行和返回着陆提供着强有力的技术支持，是整个航天工程中不可或缺的重要组成部分，对于“墨子”号的顺利发射有着重要的意义。

图3 中国载人航天工程系统构成

（二）关键技术说明

航天测控的“遥测”通常是指：将空间中航天器除业务应用数据外的工程数据、参数，经过感应、采集和转换，再通过传输信道发送到接收终端，并进行数据处理、恢复、显示及存储的过程。完成上述功能的设备组合称为遥测系统。在航天飞行任务中，通常通过遥测系统来获取航天器平台内各系统的工作状态和环境状态等信息，为航天器的运作或故障操作等提供依据。

航天测控的“遥控”通常是指：对空间中的航天器进行远距离控制。完成这一功能的设备组合成为遥控系统（或指令系统）。遥控系统主要用于对航天器进行数据注入、各种开关控制、载荷控制、轨道控制和姿态控制等。航天洲控的“跟踪”通常包含测距，测速及测角三种操作，其中：测距是指对航天器与地而站天线之间的距离进行测量，其原理是基于无线电波在空间是以恒速且直线传播，测距信号的时延或瞬时相位与传播的改线距离具有线性关系。

测速是指对航人器与地面天线之间的径向相对运动速度进行测量．其原理是基于无线电信号在空间传播时的多普勒效应，测速信号的多普勒偏移量与运动速度具有线性关系。测角是通过方向性极强的天线波束对准目标航天器而实现对其偏离天线轴向的方向和大小的测量，该测量值经过处理后得出的误差信号送天线伺服系统，构成闭环的人线伺服调节系统。

五、总结

随着全球经济的高速发展，我国工业技术的发展也日新月异，促使现代测控技术逐渐渗透到各个实践技术中，使得现代测控技术趋向于多元化发展。现代测控技术高速的发展同时，也将推进我国工业技术的发展，促使我国工业技术水平迈向世界的舞台。

我国在航空技术的发展初期，缺乏与国外先进国家的技术交流，发展速度十分缓慢，计算机水平与发达国家存在较大差距，当时还没有形成超级计算机的概念，所以数据的获取和处理还是通过计算机计算完成的。近年来，随着集成电路和超集成电路的发展，电子行业的发展实现了极大的技术突破，在电子行业的推动下，航空测控技术也实现较大的飞跃。

我国的工业和科学技术水平已经达到世界先进水平，作为世界第二大经济体，我国在航空领域取得了极大的技术突破。数字测控技术在科学发展的多个领域取得了广泛的应用，在此形势下，数字测控技术自身取得了较快发展。

因此可以得出，数字测控技术是航空技术中的重中之重，我国充分认识到了数字航空测控技术的重要性，对此投入了大量的人力物力，从国外引进了先进的设备和技术，经过大量的实践探索和研究，取得了一定的成绩，但是仍然有大量先进的数字测控技术没有应用到实际航空领域中去，在二十一世纪的今天，我们作为新一代测控人，应该投身祖国航天事业建设，为我国建设世界一流航天工程贡献自己的力量。

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