现代测控技术（精选十篇）
现代测控技术 篇1
1 现代测控技术的特点
现代测控技术的特点可以概括为:智能化、数字化、网络化、分布式化。
1.1 智能化
现代测控系统中应用的仪器仪表都是智能化的仪器, 以微处理器为基础, 具有方便使用、灵巧、多功能等特点。随着微电子技术的发展和更多的人工智能的不断引入, 智能化仪器的计算能力和计算方法将得到大大增强。
1.2 数字化
数字化在测控领域中的应用主要体现在:控制器到远程终端设备的数字化控制, 传感器的数字化控制, 通信、信号处理等过程的数字化控制等。
1.3 网络化
随着技术的不断发展, 网络技术在各个行业都有广泛的应用, 网络技术的发展便捷了工作和生活的需要, 同时也极大的提高了工作效率, 使企业的发展向着更加广阔的方向迈进。网络化在测控技术中发挥了重要的作用, 使测控技术有了一定程度的提升, 为工业生产提供了更加便捷的保障。
2 现代测控技术的应用
2.1 无线传感器技术
无线传感器网络是以传感探测、通信及计算机等科学技术为依托而构筑的目标感知和监测系统, 由于其巨大的应用前景而备受学术界和工业界的广泛关注。定位问题是传感器网络设计与应用中的一个重要问题。传感器节点的位置信息在传感器网络的协议设计、网络管理、节点间协作、目标跟踪等方面都具有重要的理论和实际意义。
在传感器网络工作中, 对于时间的同步是关键问题所在, 这直接影响到传感器的测量精度和准确度, 时间同步问题也是一直以来备受业界瞩目的话题, 需要技术的发展来解决。在实际工作测控过程中, 我们会通过声音的传递来对节点和测距进行衡量。在测量的过程中, 通过蜂鸣音的产生和结束来确定测距, 通过实践证明我们得出了如下结论:
2.1.1 在测控的过程中, 主要是通过蜂鸣音来对测距进行确定
的, 但是如果外界环境较吵, 就会对蜂鸣音产生干扰, 严重影响到声音的辨别和传递, 从而影响到测控的准确度和精度。
2.1.2 如果是在测距较远的情况下, 那么在测距的过程中就会
在室内产生回音而干扰到蜂鸣音传递。针对这种现象我们可以采取, 将蜂鸣音的发生间隔缩短到最小, 然后将两次蜂鸣音之间间隔放大, 从而消除室内的回音影响, 从而保证长距离测量中得到稳定而正确的数据。
2.1.3 在实际的测量过程中, 会因为硬件自身的原因而产生一
些误差, 这些都是无法避免的, 即使是在美国这些设备技术先进的国家也是不可避免的, 误差基本上会保持在10厘米左右。减小误差的措施可以通过对计时器的触发时间间隔来控制, 对第二个参数的数值进行调整, 在调整的过程中, 要注意调整的大小, 要以符合实际需要为准, 尽量的减小测量误差。
2.1.4 使用这种测量方法具有一定的限制要求, 需要节点的各个
位置相对要标准并且速度均匀, 否则的话, 会影响到定位的时间, 从而影响到测量的速度和准确性, 和通过信号强度来定位比较的话, 时间会比较长。
2.2 现代测控总线技术
在现代测控系统中, 利用总线技术可以在很大程度上简化测控系统结构, 增加系统的可靠性、开放性、兼容性及可维护性, 从而降低系统成本。
现代测控总线技术的应用有: (1) GPIB总线技术利用计算机实现了对仪器的操作和控制, 促使测控技术向大规模测控系统的方向迅速发展。 (2) USB总线在低速设备上应用广泛。 (3) IEEE总线成为外部硬盘、视频设备、高度数字音频和其他高速外设的首选接口。 (4) 自动化系统与设备正朝着现场总线体系结构的方向前进, 将极大的促进企业网络和自动化相关行业的发展。
2.3 虚拟仪器技术
虚拟仪器技术是计算机辅助测试领域的一项重要技术, 是现代仪器技术和现代计算机技术深层次结合的产物, 具有功能强大、交互性、灵活性、系列化和模块化、网络化等优点。
虚拟仪器技术的应用也较广泛, 如: (1) 利用虚拟仪器技术测量不同进口压力和转速下的液力变矩器的性能参数。 (2) 虚拟仪器技术用于蚕茧无损质量检测。 (3) 利用虚拟仪器计算机视觉软件和开发工具, 开发出计算机自动化秧苗分析系统, 可用于预测在最后发芽期限发芽良好的秧苗数量及监视秧苗质量。 (4) 虚拟仪器技术用于农机监控、检测上及农机现代化管理与教育。
2.4 远程测控技术
常见的远程测控技术有:专线远程测控技术、电话网远程测控技术、以太网远程测控技术和无线通信远程测控技术。
远程测控技术的应用主要有: (1) 基于Internet的远程测控技术, 在核电站检测、电网运行监控、石油输送管道的远程监控、机器人的远程监控等领域应用广泛。 (2) 基于现场总线的远程测控技术, 主要应用于现场总线仪表、现场总线网络、现场总线远程测控系统等的监测。 (3) 基于无线通信的远程测控技术特别适用于用户密度不高、距离较远、不易布线和地理环境复杂的地区和情况。
结束语
随着科学技术的不断发展, 在工业生产领域发生了很多的变革, 其中测控技术就是将信息技术、无线技术和数据处理等应用到了工业生产中, 实现了现代化的测控手段。通过科技的不断发展, 测控技术将会向着更加智能化和系统化的方向发展, 在技术上不断的创新改革, 以适应不断变化发展的时代要求。在市场竞争日益激烈的环境下, 企业间的竞争也愈发的激烈, 那么唯有在技术上增加科技含量, 才能够在市场中获胜, 赢取更多的市场份额, 为企业的发展创造更加广阔的空间。
参考文献
[1]吕辉.现代测控技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.5.[1]吕辉.现代测控技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.5.
[2]孙亮.现代测控技术的发展及应用[J].电子质量, 2006 (10) .[2]孙亮.现代测控技术的发展及应用[J].电子质量, 2006 (10) .
测控技术与仪器 篇2
专业简介:本方向是一个军民两用，光、电、信息技术与计算机应用相结合的宽口径方向。培养信息的传感、获取、处理、传输、应用、通讯、显示、光存储、图像处理、自动识别、检测与控制、光电制导、跟踪探测等领域研究、设计和开发的高级技术人才;既能作理论、技术、方法研究，又能制造与集成光电系统;也可做运行、管理工作。
主要课程:电子技术、微机原理、信号与系统、测控电路、传感技术、控制技术与系统、数字信号分析与处理、误差理论与数据处理、智能仪器设计、光电技术、数字图像处理、测试技术、光学信息技术。
就业方向:光电信息企业、研究部门、制造业和其他行业的生产控制和检测、质量控制、通讯、仪器仪表、微机电、娱乐业等。毕业生可以在上述具有高新技术特征的内、外资企业、科研、国防单位、高等院校、国家技术管理机关、内外贸部门工作，还可以继续在国内外深造。
测控技术及仪器(电磁测量技术及信息处理方向)(本科，四年，理工类)专业简介:电磁测量技术及信息处理方向是以传统的电磁测量技术及仪器为基础，以现代电子技术、现代信息处理技术为手段，结合现代测控技术而形成的方向，具有测量与控制结合、理论研究与技术应用结合、工程开发与产品设计结合的方向特色。主要培养具有测量与控制以及电磁测量技术及信息处理方面基础理论知识和应用能力，能在测量与控制领域内从事设计、制造、科技开发、应用研究、运行管理等方面的高级工程技术人才。通过学习使学生掌握本专业的基础理论、专业知识和基本技能，掌握与计算机相结合的当代测控技术，具有专业测控技术、仪器与系统的设计、开发能力，具有较强的外语应用能力与创新意识和较高的综合素质。
主要课程:电子技术、工程光学、微机原理、信号与系统、测控电路、传感技术、控制技术与系统、数字信号分析与处理、误差理论与数据处理、智能仪器设计等专业课和专业平台课，开设电气测量、数字系统设计、虚拟仪器与测量总线、现代电子测量技术与仪器、电力测试技术及系统等专业课。
就业方向:电磁测量技术及信息处理方向培养具备电磁参量测试计量技术与理论、信息处理技术与理论及其相关仪器仪表、检测装置和控制系统的研究、设计、开发的技术知识与应用能力的复合型高级工程技术人才;可以在国民经济各行业中从事电参量和磁参量信息获取与处理技术的应用研究工作，以及测控技术领域的装置与系统设计开发、应用研究工作。
毕业生获得学位后，可在相关领域的企业、公司中承担理论研究、技术开发、运行管理等技术工作，也可以在技术监督等研究机构和高等院校从事检测研究与教学工作。
测控技术及仪器(工业自动化仪表方向)(本科，四年，理工类)
专业简介:工业自动化仪表方向是以传统的仪表技术为基础，以现代电子技术、现代测试处理技术为手段，结合现代控制技术的基础性、普遍性而形成的方向，具有测量与控制结合、理论研究与技术应用结合、工程开发与产品设计结合的方向特色。主要培养具有测量与自动控制及工业自动化仪表方面基础理论知识和应用能力，能在测量与控制领域内从事仪表的设计、制造、科技开发、应用研究、运行管理等方面的高级工程技术人才。
主要课程:电子技术、工程光学、微机原理、信号与系统、测控电路、传感技术、控制技术与系统、数字信号分析与处理、误差理论与数据处理、智能仪器设计等
专业课和专业平台课，开设工业控制总线技术、自动控制仪表及装置、自动检测技术及仪表、数字化测量与自动显示技术等专业课。
就业方向:在仪器仪表、装备制造、汽车电子、航天航空、石油化工、交通运输、工农业及家电制造等领域的企事业单位从事自动控制、测控仪器、配套系统或其它工业仪表产品的科学研究、产品研发、技术支持、工程应用等技术和管理工作，也可到高等院校从事教学、科研工作，亦可继续攻读硕士、博士研究生。
现代测控技术中的FFT算法探析 篇3
快速傅立叶变换算法的信号流程图。
关键词 FFT 频率抽取 蝶形单元 运算量
中图分类号：TN919 文献标识码：A
1概述
在测控技术中，传感器采集到的数字信号一般是时间序列，需要对这样的数字信号进行处理，通过离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transform，簡称DFT），可以将时域信号转化为频域信号。快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）是一种提高离散傅立叶运算速度的快速算法，它使N点DFT的乘法计算量由N2次降为log2N次。以N=1024为例，计算量降为5120次，仅为原来的4.88%。人们公认这一重要发现的问世是数字信号处理发展史上的一个转折点，也可以称之为一个里程碑。
基于FFT变换的不言而喻的重要性以及对其产生的浓厚兴趣，深入学习了FFT变换的机理。所用教材给出了时间抽取（DIF）基2 FFT算法的详细的推导过程，而对于频率抽取（DIF）基2 FFT算法只是简略的提及，并没有做详细的探讨。为了深化对于FFT的认识，本文尝试详细给出频率抽取（DIF）基2 FFT算法的推导过程，并作出相应的讨论。
2频率抽取（DIF）基2 FFT算法
2.1算法的推导
对N点序列x（n），它的DFT变换定义为：
X（K）=x（n） k=0，1，…，N-1，WN= （4—a）
于是我们将一个N点DFT分成了两个N/2点的DFT，分的办法是将X（k）按序号k的奇、偶性分开。
对（4—a）式的DFT，继续将x（2r）按序列号分成上、下两部分，得：
（4—b）
（5—a）
同理，对于（4—b）的DFT，可以得到：
（5—b）
分别令r=2l，r=2l+1，l=0，1，…，N/4-1，则（5—a）和（5—b）可以化为：
（6—a）
（6—b）
（6—c）
（6—d）
令 （7—a）
（7—b）
（7—c）
（7—d）
则 （8—a）
（8—b）
（8—c）
（8—d）
这样，我们通过将X（2r）和X（2r+1）按r的奇、偶分开，把两个N/2点的DFT分成了四个N/4点的DFT。通过几个中间变量的代换，算出了时间序列x（n）的8点DFT。
若N=16，32或2的更高的幂，可按照前述的方法继续分下去，直到化成两点计算为止。以上算法是将频率下标k按奇、偶分开，故称频率抽取算法（Decimation in Frequency，DIF）。现将上述过程表示于图1。其基本运算单元如图2所示。
2.2算法的讨论
（1）“级”的概念
上述过程，每进行一次奇偶分离，就成为一“级”运算，一共有M=Log2N级，如图1所示。图中从左至右，依次为m=0级，m=1级，…，m=M-1级。
图2 第m级蝶形单位
（2）蝶形单元
在图1中有大量的如图2的蝶形运算单元，由于该运算结构的几何形状类似蝴蝶，所以有“蝶形运算单元”的名称，在第m级，有
（9）
p，q是参与本蝶形单元运算的上、下节点的序号。显然，第m级序号为p，q的两点只参与该蝶形单元的运算，并在第m+1级输出。该蝶形单元不会再涉及别的点。这个特点使得我们在计算机编程的时候，可以将蝶形单元的输出仍然放在输入数组里。这一特点称为“同址运算”。
由于每一级都含有N/2个蝶形单元，每一个蝶形单元需要一次复数乘法，两次复数加法，所以完成M=Nlog2N级共需要复数乘法次数m1和复数加法次数m2分别是：
（10）
由图2，在第m级，上下节点p，q之间的距离为
（11）
（3）码位倒置
由图1可以看出，输入序列x（n）依照正序排列，但变换后的输出序列X（k）的次序却似乎被打乱了，这是由于对X（k）作奇、偶分开所产生的。对于N=8，自然序号为0，1，2，3，4，5，6，7。第一次按奇、偶分开，可得X（k）的序号为：
0，2，4，6， | 1，3，5，7
对每组再作奇、偶分开，这时应该把每一组仍看作按自然顺序排列，故抽取后得四组，每组的序号为：
0，4 ， | 2，6，| 1，5，| 3，7
这一顺序正是图1输出端序列X（k）的排列次序，掌握这一规律，对N为2的更高次幂，我们都可以得到正确的抽取次序。
如果我们将X（k）的序号k=0，1，…，N-1写成二进制，如N=8，X（0），…，X（7）对应是
X（000），X（001），X（010），X（011），X（100），X（101），X（110），X（111）
将二进制数码翻转，得
X（000），X（100），X（010），X（110），X（001），X（101），X（011），X（111）
它们对应的十进制序号分别是
X（0），X（4），X（2），X（6），X（1），X（5），X（3），X（7）
也正是输出端所得到的顺序。掌握了这一规律，我们就可以做到正确的编程，FFT的软件已经是通用程序，所以我们只要了解排序的规律就可以了。
参考文献
[1] 周耀华，汪凯仁.数字信号处理.上海：复旦大学出版社，1992.
现代测控技术的发展及其应用 篇4
关键词：测控技术,发展现状,应用探究
0 引言
自第三次科技革命以来, 现代测控技术作为计算机信息科技的演化力量之一, 与信息控制技术、电子、精密机械等领域有着极为密切的联系。当今社会, 采用自动化系统的机器设备遍布各生产生活领域。如何保证自动化系统的长期平稳运行, 成为摆在工程技术人员面前的一道难题, 而现代测控技术也正是解决这一难题的关键。
1 现代测控技术的重要作用
现代测控技术迎合信息时代自动化系统的测控需要而生, 也因信息科技的推动而兴。测控技术已经深入渗透到国民经济建设各领域、各部门, 对社会生产生活产生着深刻影响。从某种程度上来讲, 现代测控技术水平的高低, 已经成为科学技术现代化与否的重要衡量标准。
1.1 保障测试数据真实可靠, 维持仪器设备平稳运行
生产效率是国民经济发展的生命线, 工业设备运行稳定是提高生产效率的首要前提。现代测控技术通过利用专业测控仪器, 对各种设备的自动化系统进行反复测试, 侦查其中的不稳定因素, 形成稳定的控制信号, 从而维护了设备运行的高度流畅性。在测控过程中, 技术人员对自动化系统进行规律性频繁测试, 收集到设备运行的大量信号。大规模真实可靠的测试数据, 为控制指令的输出奠定了数据保障, 因而有力维持着仪器设备的平稳运行。
1.2 沟通工业部门信息资源, 提高工业生产建设效率
我国社会经济发展的行业部门之间, 已经普遍形成自动化系统的链条式发展模式, 生产的各个环节都由自动化系统控制。在这一发展态势下, 现代测控技术有了更为广大的用武之地。一方面, 测控技术能够全面侦测各生产环节自动化系统的运行缺陷, 在部门乃至行业间进行信息资源沟通, 从而能够有效磨合运行机制。另一方面, 利用测控技术勘察自动化系统的漏洞, 看似耗时耗力, 但能够解决设备后期使用的后顾之忧, 最大限度提高工业生产建设效率。
2 现代测控技术的广泛应用
正如计算机信息科技步入各行各业、千家万户一样, 现代测控技术也已经在国民经济各部门得到了广泛应用。自进入二十一世纪以来, 现代测控技术已经在新型传感器、航空航天以及农业发展等领域取得不菲成绩。
2.1 新型传感器的大规模利用
新型传感器作为现代测控技术的主要产物, 在传统的物理、化学因素基础上, 高度融合了计算机技术和智能网络技术, 其监测范围已经波及到社会生产、生活的诸多方面。例如, CCD图像传感器可以监测火车轴承滚子的表面缺陷, 磁性传感器能够测控转速、风速、流量等因子, 集成传感器则可以用于温度、压力及视觉测量等方面。现代测控技术造就了各类新型传感器, 为国家经济发展、国防建设、城市管理等提供了优秀技术支持。
2.2 航天航空事业的飞速发展
众所周知, 近年来中国在航空航天方面取得了显著成就, 这离不开现代测控技术的鼎力支持。现代测控技术能够实时监测航空器的外部运行轨道数据、航天器内部工作数据以及宇航员的生理状态数据, 并且将高效数据整合分析结果传输给宇航控制中心, 为控制中心调整飞行策略、改进设计提供可靠数据理论保障。
2.3 大规模机械农业的快速崛起
从世界范围内来看, 农业生产正在向大规模、集成化、现代化发展模式迈进, 大规模的机械化农业生产已经逐步推广开来。现代测控技术在农业发展中得到了广泛利用。例如, 在粮食仓储空间内安装温度湿度测控装备, 一旦监测数据超过预期规定就触发报警装置, 报警装置连结自动化除湿保温装置, 及时化解粮食仓储的自然风险。同时, 测控技术能够随时收集有利用价值的生产数据, 真正实现农业生产的数据化管理。
3 测控技术的未来发展趋向
目前, 计算机科技已经成为测控技术的中流砥柱, 而网络技术也将逐步介入到测控技术的发展核心。同时, 伴随人工智能技术的引进, 现代测控技术在追求测控仪表智能化的基础上, 还要探寻更为广阔的完善平台。简而言之, 现代测控技术的未来发展应当向开放化、标准化、网络化趋向迈进。
(1) 以开放化发展为前提。现代测控技术的未来发展, 首先需要以高度开放为前提。测控技术是一门实用性极强的科技, 在工业、农业乃至第三产业的发展中都有所应用, 其未来发展也必然会面临更加开放的前景。一方面, 科学技术成果的开放性利用, 是现代测控技术发展的重要举措。开放化的科学技术吸收可以为测控技术发展提供源源不断的内在动力;另一方面, 测控技术应用渠道的开放, 将极大提升其应用程度和水平; (2) 以标准化发展为契机。随着经济全球化的发展, 测控技术作为工业工程的显著要素, 逐渐走入国际技术大融合的轨道。但目前, 各国测控技术发展水平参差不齐, 所采用的数字化测控标准也不一而足。因此, 现代测控技术需要制定完善的标准体系, 采取标准化发展模式。这样才能使测控技术充分汲取世界范围内的优良成果, 以完善自身缺陷; (3) 以网络化发展为平台。网络技术的迅猛发展, 为诸多科学技术提供了全新发展平台, 测控技术也不例外。网络滋生了大规模数据资源, 形成了庞大的网络信息系统。现代测控技术的发展, 需要有强大的数据资源库作为测试支撑。因此, 网络化发展能够为测控技术更新升级提供实质性的资源帮助。同时, 测控技术的网络化发展, 能够拓宽测控应用范围, 简化测控应用流程。因此, 不久的将来, 测控技术必将以网络化发展为平台, 进入智能测控的新天地。
4 结语
承上所述, 现代测控技术对于设备自动化系统的完善、工业建设的发展具有重要的实用价值。无论是在工业生产领域, 还是科技创新方面, 现代测控技术都有着广阔的应用范围。随着社会经济和科学技术的进步, 现代测控技术也将逐步打破现有的传统发展模式, 以开放化发展为前提, 以标准化发展为契机, 兼以网络化发展为平台, 实现测控技术的大跨越。
参考文献
[1]陈建羽, 花卉.现代测控技术及其应用分析[J].信息通信, 2014 (09) .
[2]徐亦唐.浅谈现代测控技术的发展及其应用[J].科技资讯, 2013 (11) .
测控技术与仪器 篇5
测控技术与仪器专业是以“光、机、电、计算机”技术为基础，实现信息获取、传输、处理和控制的复合型专业。本专业依托“载运工具运用工程”国家重点学科和“轨道车辆结构可靠性与运用检测技术”教育部工程研究中心，在检测、控制、智能仪器和自动化领域内，培养从事设计、开发、应用及管理等方面的高级复合型人才。
本专业注重培养学生的创新精神、实践能力和综合素质。学生在校期间，即学习公共基础课，又学习模拟与数字电子技术、微机原理及接口技术、自动控制原理、传感器原理及应用、计算机控制技术、机电系统信号分析、智能仪器仪表原理、自动检测技术、现场总线控制网络、虚拟仪器技术等专业主干课程；同时还注重培养学生的外语能力、计算机应用能力以及动手实践能力。依托北京市级机械工程实验教学示范中心，开设微机原理与接口技术综合实践、光机电一体化测控系统综合实践等大量的实验课程及综合实践环节，强化学生的实践能力、创新能力和适应社会能力。
测控技术中传感器的发展及应用 篇6
摘 要：测控技术即测试和控制技术，它是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。而测试技术的发展很大一部分是依赖传感器的发展。
关键词：传感器；发展；种类；应用
1.传感器
传感器将被测物理量（如噪声，温度）检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。
2.传感器的发展
传感器技术是在20 世纪的中期才刚刚问世的。在国外，传感器技术是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。近代，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。
我国从上世纪中期开始传感技术的研究与开发，已经初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。
随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器会层出不穷的而出现。当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。
3.传感器的种类及应用
3.1 光纤传感器
上世纪70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光的特性，而且本身就可以构成一种新的直接交换信息的元件。光纤能把待测的量与它的各种参数联系起来，从而将被测信号的状态，以光信号的形式传出。另外，光纤不仅是一种敏感元件，而且是一种优良的低损耗传输线。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优点：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等。从光纤传感器问世至今，已有了上百个品种，在许多领域获得了广泛应用。例如，光纤流速传感器以其高的灵敏度、耐高压耐腐蚀、频带宽等特点，逐步取代传统的传感原理及测试方法。
光纤传感器按其传感原理可分为两大类：一类是传光型传感器，另一类是传感型传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”是依靠其它的功能元件来完成的。传光型传感器中的光纤是不连续的，中间有敏感元件；传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤作为敏感元件，把“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且起调制器的作用。因此，传感器中光纤是连续的，目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。传感型传感器主要又分为：强度调制型传感器和相位调制型传感器。
3.2 生物传感器
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。
按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。
按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。
按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。
3.3 集成化多功能传感器
集成化是指传感器同一功能的多元件并列以及功能上的一体化。前一种集成化使传感器的检测参数实现“点、线、面、体”多维图像化，甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测；后一种集成化使传感器由单一的信号转换功能，扩展为兼有放大、运算、补偿等多功能的传感器。在实际运用中，常做到硬件与软件两方面的集成，它包括：传感器阵列的集成、多功能和多传感参数的复合传感器；传感系统硬件的集成；硬件与软件的集成；数据集成与融合等。
而多功能是指“一器多能”，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。这样可大大节省工程成本，并使项目复杂度降低，提高了工作效率。
运用集成化多功能理论研制出的传感器可以应用到更广泛的领域，并发挥出更加强大的功能效用。利用集成化多功能原理，现代传感技术已制成带温度补偿的集成压力传感器，频率输出型集成压力传感器，霍尔集成传感器，半导体集成色敏传感器，多维化集成气敏传感器等。
4.结语
现代测控技术的发展及其应用探析 篇7
关键词：测控技术,发展,应用
1 概述
现代测控技术是一门新兴的技术, 它为我国工业化发展创造了非常好的条件, 它通常是按照电子、测量和测控等多个学科作为重要的基础, 在我国经济水平不断发展的情况下, 它也朝着网络化和智能化的方向发展, 而现代测控技术在很多方面都能发挥其众多的优势, 所以也具备着非常好的发展前景。
2 现代测控技术的发展
2.1 发展现状
现代测控系统在应用中展现出了非常明显的综合性, 它主要有三个类别:一类是基本型, 一类是闭环控制型, 一类是标准型, 在组成方面, 其主要分成五个部分:一个是控制器, 一个是程控设备和仪器, 一个是测控软件, 一个是总线和接口, 最后一个是被测对象。当前, 我国的科技水平在不断的提升, 但是和很多世界上的发展水平较高的国家相比, 我国在技术方面还需要不断的改进和完善, 这些问题主要体现在智能化水平上还比较低, 体积缩小的程度还需要进一步的加强, 所以, 我国在测控技术发展中一定要首先引进先进的技术和设备, 同时还要对国外那些比较好的发展方式加以充分的借鉴和学习, 加大创新的力度, 只有这样, 我国的产品才能在国际激烈的竞争之中占据一席之地。
2.2 发展趋势及前景
首先, 我国的科学技术发展水平越来越高, 这也给我国的现代遥控技术创造了非常好的发展条件, 在当今的建设和发展中开放化测控已经成为了非常重要的发展方向, 同时它也会成为市场发展过程中的一个非常重要的趋势, 同时还可以直接的和标准越来越开放背景下的测控技术有更加详细的了解, 同时还要将该技术有机的和标准结合在一起。当前我国正处在产业结果不断调整和转变的过程中, 测控技术开放化和标准化发展对我国测控技术未来的进步有着十分积极的意义, 所以我们一定要抓住这个好机会去积极的改进和创新。
其次是我国的科学技术发展水平在不断提高, 创新能力也在不断的增强。现代测控技术在这一过程中也应该具备更强的网络化特征。当前, 现场总线发展的速度非常快, 还有很多专业化软件逐渐的得到了应用。现代测控系统在应用中能够将现场的智能仪表和装置当做节点来使用, 借助网络把节点和控制装置充分的联系在一起, 这样也就形成了一个完整的测控系统, 此外, 它还能使互联网上的仪器设备和其他的设备共同使用。网络技术在时代发展的过程中也在不断的发展和应用, 它对材料的采集、远程的故障诊断以及更大范围之内的资源共享都有着十分积极的意义。测控网络的性能也在这一过程中得到了改善, 其功能性也更强, 所以在应用的范围方面也有了非常大的变化。测控综合系统在运行的过程中, 其功能已经远远超过了多个独立系统的功能之和。
3 现代测控技术的应用
从21世纪的发展情况来看, 经济全球化趋势在不断的增强, 同时测控技术也在不断进步, 在这样的大背景下, 我国的军事发展、电子制造以及自动化产业等都有了非常显著的发展。这对我国的产业结构调整以及社会的进步都有着十分积极的意义。很多的测控技术都应用在了与国民经济发展有着密切关系的宇航产业、电信产业、农业、石油化工产业等, 该技术所发挥的作用也日益受到了人们的关注和重视。
3.1 现代测控技术在航天、农业等领域的应用
现代测控技术在航天领域的应用主要表现在:跟踪测量航天器, 获取其运动参数和内部的各种物理、宇航员生理等一些重要数据, 并且监视航天器的飞行和内部工作状态, 为指挥中心对航天飞行目标指挥、控制提供数据信息, 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。
在农业领域的应用集中在粮食存储过程中, 如果测得粮食温度超过预置, 报警数值主机就会发出指令, 接通通风机控制电路, 对粮仓进行通风。此外, 在蚕种催青过程中, 现代测控技术用来控制蚕种催青时的温、湿度, 通过把采集到得温、湿度数据传入微机处理系统, 即可根据实际需要在控制台屏幕上设定温、湿度数据, 如果数据达到设定值时系统会自动断开电源, 进入维护期。
3.2 新型传感器技术的应用
作为当今世界发展最迅速的高新技术之一, 新型传感器已经融入了计算机技术、智能技术和网络技术等新技术, 其结构更加完善, 功能更加强大, 广泛应用于社会生活工作的各个方面。智能化传感器主要应用于:火车机车的状态监测、心内压监控系统等;微型化气体传感器主要应用于化工、交通、国防、医学、机器人、防伪等领域;数字化传感器应用于:测量环境温度、银行监控、图像传感器等;集成化传感器主要用于视觉测量、压力测量、温度测量;新型网络化传感器则大量应用在国防、农业、医疗、工业、军事、抢险救灾、环境监测、城市管理等领域。
3.3 远程测控技术的应用
为了适应现代科学技术的发展, 现代测控技术还可以进行远程测控, 远程测控技术常见的有:专线远程测控术、电话网远程测控技术和无线通信等远程测控技术。远程测控技术主要应用于:在核电站和电网检测的远程监控、石油输送管道的远程监控、机器人的远程监控等。现代测控技术还可以对设备进行故障诊断, 水、电、燃气以及热能等的自动抄表远程测控, 与此同时, 对于地理环境复杂的地区以及用户密度不高、不易布线、距离较远的情况, 等等, 都可以通过无线通信网络信息技术进行远程测控。
4 结论
当前, 我国的科技和经济发展水平都在不断的发展, 测控技术也有了非常显著的发展和提升, 该技术的智能化和一体化趋势越来越强。在社会发展的诸多领域, 测控技术都发挥着非常关键的作用, 给人们的生产和生活提供了非常大的便利。此外计算机测控技术和数据处理技术等更加先进和完备的技术也使得现代测控技术出现了非常大的变化, 其开放性和标准型更强, 所以从某种角度上来说, 这也极大的带动了我国现代科技的发展。因此, 现代测控技术的快速发展使得技术创新也越来越普遍。现代测控技术的广泛应用为整个社会的升级和调整都创造了非常好的条件, 在科研和应用方面都体现了非常大的价值。
参考文献
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大西高铁站台限界测控技术 篇8
关键词：高速铁路,站台限界,测控,距离
铁路站台作为列车的配套服务设施, 是旅客乘降列车的平台。为保证旅客上下列车更加安全、舒适, 新建铁路客运车站时主要采用高站台设计, 与各型车车厢门踏板水平面基本持平。在动车组运行初期, 全国60余座大中型主要客运车站对既有站台进行了高站台改造。相比普速车站低站台, 高站台对限界控制更为严格, 也为安全运营管理提出了更高要求。作为建筑限界管理归口部门, 土地房产管理处从大西高铁建设初期的提前介入、静态验收、联调联试到运行维护, 均直接参与管理。本人作为工程技术人员与管理者, 针对高速铁路站台限界测控技术, 通过学习观摩、现场实践, 得出了一些经验, 在此总结如下。
1 大西高铁站台基本情况
大同至西安铁路客运专线 (大西高铁) , 是国家中长期铁路规划网的重要组成部分, 北起山西大同, 经朔州、忻州、太原、晋中、临汾、运城、渭南等9市31县 (区) 至陕西西安, 全长859 km。2009年12月开工建设, 2013年3月房建部门开始对站台设备进行提前介入管理, 12月完成静态验收, 2014年4月进入联调联试。2014年7月1日, 太原南至西安北段正式开通运营。目前, 大西高铁太原局管内开通高铁站15个, 旅客高站台35座。
站台分基本站台、侧式中间站台与岛式中间站台三种, 站台长度分450 m与500 m两种, 位于到发线一侧。根据TG/01—2014铁路技术管理规程 (高速铁路部分) 客运专线铁路建筑限界规定 (如图1所示) , 大西高铁站台高度不大于1 250 mm, 直线段站台边缘至线路中心线的距离不小于1 750 mm。
2 站台建筑限界测控的重要性
铁路建筑限界是铁路线路周围的各种建筑物或设备接近线路的限制轮廓, 是一个和线路中心线垂直的横断面, 它规定了保证机车车辆安全通行所需要的横断面的最小尺寸。站台横断面轮廓有两个控制指标, 即站台距离线路中心的宽度与站台距离轨面的高度。站台建筑限界的测控是保证行车安全的重要工作。
站台建筑限界作为刚性控制指标, 站台与车体的间隙过小会造成列车剐蹭继而危及行车安全。在静态环境下, CRH1, CRH2, CRH3和CRH5型动车组、普速列车站台高度处车体与站台建筑限界的间隙分别为86 mm, 60 mm, 100 mm, 150 mm和198 mm。动态侧风环境下, 以CRH系列动车组中车体最宽的CRH2动车组做仿真试验, 在15 m/s的侧风、运行速度45 km/h临界条件下, 在站台高度处的横向最大偏移量为46 mm, 与站台间隙只有14 mm。因此在站台施工时, 通常宽度都会留有一定安全距离。但间隙过大则会造成普速列车停靠时渡板搭接长度过短, 可能发生旅客滑落站台的人身伤亡事故。
在地铁和城市轻轨铁路设计规范中规定, 一般站台高度宜低于车厢地板面50 mm~100 mm, 接发动车组的高站台借鉴了这一规定。目前运行的主要客车中, 车厢地板面高度最低的CRH1型动车组为1 250 mm, 最高的CRH2型动车组为1 300 mm, 这便是高站台高度设为1 250 mm的原因。站台高度同样是刚性控制指标, 如图1所示, 站台高于1 250 mm, 水平限界值则变为2 440 mm, 造成站台侵限, 过低易导致渡板搭设不便影响旅客安全。
3 站台建筑限界测量方法
限界测量基准点:大西高铁站台建筑限界测量以轨面为基准点。根据TB/T 3308—2013铁路建筑实际限界测量和数据格式规定, 该距离为“在垂直于线路中心线的断面内, 测量建筑物和设备的内轮廓点 (最近点或最高点或最低点) 距两轨顶连线的垂直高度, 和其距垂直平分两轨顶连线的直线的距离。”站台的内轮廓点是站台帽石上边缘直角点。
测量工具与方法:铁路建筑实际限界测量方法分为接触式测量和非接触式测量。房建部门测量站台建筑限界主要采用限界测量尺、吊锤等工具进行人工测量。
目前高铁站台建筑限界采用的限界测量方法为接触式测量法, 所使用的工具为限界测量尺与吊锤 (如图2所示) 。测量尺的两尺臂上固定有刻度尺, 可折叠便于携带, 水平尺臂上安装有水准泡。为保证测取数据的稳定性, 提前在站台帽石侧边缘做标记并标注编码, 每次固定测量标记点, 直线段标记点间隔10 m, 曲线段做适当加密, 间隔5 m。测量作业前, 将测量尺打开, 用三角直尺校正直角后以螺栓固定。在测量点处先用吊锤校正垂直度, 将竖直尺臂紧贴在站台帽石边缘且与吊锤线重合, 水平尺臂紧贴在近端钢轨面上, 微调水平尺使水准泡居中, 用三角尺校正水平尺与钢轨的夹角使二者垂直。这时开始读数, 站台高度读数以站台帽石上边缘为准, 水平限界读数以近端钢轨靠近轨距中线一侧上翼缘为准。
为了读取水平限界时直观明了, 针对高速铁路钢轨, 技术人员对水平刻度做了修正, 实际中吊锤线处的水平刻度是从680 mm开始标记的, 这样读到的数据便是实际的水平限界宽度值。测算步骤如下:钢轨轨距为1 435 mm, 轨面宽度即上翼缘宽度为75 mm, 水平限界数据读取点距轨距中线距离为1 435/2-75/2=680 mm。
测量偏差允许范围:按照铁路行业有关标准, 结合实际经验, 确定水平限界值的静态测量允许偏差为±3 mm, 站台高度的静态测量允许偏差为+0 mm~-20 mm。
4 站台限界测量的难点
1) 站台限界数据的不稳定性。虽然站台属于静态设备, 站台限界测量工作也看似一劳永逸之事, 但实际却并非如此。站台限界数据是慢慢发生变化的, 并非肉眼所能观测, 根据实际经验, 影响站台限界主要有三方面:a.站台与线路建成初期路基的不均匀沉降造成站台、线路的变形, 大西高铁路基属于湿陷性黄土, 其物理特征是在天然状态下, 由于内部胶结物的凝聚结晶作用强度较高, 而遇水作用时, 内部胶结物软化造成土的强度突然下降而产生湿陷;b.火车频繁碾压扰动, 引起的线路平移;c.工务拨道引起的线路平移, 为保证线路轨距稳定, 工务大维修需要经常拨道, 如向站台侧拨道, 则有可能引起站台侵限。
工程实例:大西高铁于2014年4月4日开始联调联试, 期间房建技术人员利用天窗点对全部站台进行了四次限界测量。数据跟踪对比的分析结果显示, 临汾西站3站台存在多点超高, 最大超高值48 mm, 而与3站台同处一座站台的2站台并不存在超高问题。经过路局房建、工务部门、施工单位现场查勘, 主要原因为临汾西站3站台相邻的6道是有砟轨道, 建成后路基沉降未稳定, 受到雨水侵蚀、列车碾压扰动等多重外力影响, 最终引起线路不均匀沉降。
2) 测量工具与测量条件的限制。测量工作需要3人~4人合作完成, 分别负责吊锤、把尺、角度校正、读记数等, 任何一项工序出现操作失误都可能导致数据误差。加之限界测量往往在夜间维修天窗点内进行, 使得准确读取数据变得更为困难。
3) 曲线段加宽值的复核。曲线地段的站台建筑限界需考虑曲线内、外侧的限界加宽, 加宽范围应包括全部圆曲线、缓和曲线和部分直线 (如图3所示) , 加宽量为曲线内侧加宽, 曲线外侧加宽, W1, W2单位均为mm。
其中, R为曲线半径, m;H为计算点自轨面算起的高度, mm;h为外轨超高, mm。
大西高铁太原局管段15站均有站台位于曲线或缓和曲线段内, 由于此部分站台限界值为渐变数据, 不仅施工时站台帽石难以准确定位铺设, 测点标注、限界值换算、复核均为技术人员造成很大难度。大西高铁提前介入时, 铁路房建部门就曾发现建设单位未按照《铁路技术管理规程》规定进行设计施工, 曲线段加宽量不足的问题。
5 站台限界安全卡控措施
1) 加强人员岗前培训, 严密制定操作规程。大西高铁开通前, 专门组织房建技术人员进行培训, 普及高站台限界测量技术。制定严密的操作规程, 指导工作人员按标作业。测量前均仔细校正工具, 测量时各工序固定人员, 降低误差。测量后汇总数据进行分析比对, 根据开通半年来的数据比对结果, 站台限界数据已趋于稳定。
2) 督促组织各单位共同维护。站台沉降、钢轨变形、工务拨道等均为不可抗因素, 为此在联调联试期间, 土房处与大西客专公司组织房建、工务各单位, 相关设计、施工、监理单位共同完成站台限界测量工作, 填写《站台技术卡片》, 各方签字盖章确认, 各负其责、共同维护。
工程实例:前文提到临汾西站3站台超高问题, 由于站台是线路的配套设施, 站台限界也是以轨面为基准点, 调查组考虑到联调联试后期工务线路精调已经结束, 为把施工对行车的影响程度降到最低, 经过反复论证, 最终确定对站台面进行整治施工。首先保护性地将临近站台边缘的帽石揭起, 按照提前标定的水准对底层水泥砂浆进行重新找平。为保持站台平整, 揭起的帽石从站台边缘起横向找坡, 与其他站台砖平整连接, 最终成功排除站台限界安全隐患。
深空测控通信技术研究 篇9
随着人类对深空探测的逐渐深入,传统的近地轨道测控手段已无法解决深空测控通信中的特殊问题,世界各主要强国都为此开展了深空通信测控技术的研究,自上世纪70年代以来已逐步付诸实践。
本文首先分析了深空测控通信中面临的主要问题——信号损耗和时延,以及随之而来的高精度连续测轨困难;在此基础上,引出了目前世界上解决深空测控通信问题最完美,技术水平最完备的成功例子——美国深空测控通信网,并对其进行了技术研究;最后,展望了深空测控通信未来的技术方向。
2 深空测控通信概述
2.1 深空测控通信系统
对进行深空探测的航天器进行测控和通信的系统称为深空测控通信系统[1],包括深空测控通信网和空间应答机两大部分。
目前,美国、欧洲航天局和俄罗斯等已经建立了深空测控系统或测控网。法国、意大利和印度等国也在计划建立自己的深空站(DSS),用于对深空探测器进行测控。
深空测控通信系统是天地信息交互的唯一手段,是深空探测器正常运行和发挥其效能的重要保证,为相关系统提供应用处理所需的基准信息,因而在深空探测工程中具有举足轻重的地位。
2.2 深空通信距离遥远
深空通信距离的遥远,除了导致传输信号强度的巨大损耗外,还会引起通信的极大时延,表1给出了太阳系各大行星与地球通信的信号损耗与时延[1]。
由表 1可以看出:
* 月球是离我们最近的天体,当其运行到离地球最近时通信损耗只有20dB, 单向时延只需1.2s,尚可满足准实时通信的要求;
* 火星虽然是深空探测的热点,是太阳系中最适合人类移民的星球之一,但其单程通信损耗最少也要65dB左右,最短单向时延已达到3.3min,平均单程通信时间近20min;
* 太阳系中离我们最远的海王星,单程损耗更是高达101dB,单向传输时延将达到漫长的4小时。
由于深空通信存在巨大的损耗,同时,深空探测器由于能源的约束,难以像地球站一样使用大功率来实现高速率数据传输的需要,所以目前只能工作在中、低传输速率,信道传输速率受限。因此,对于月球探测通信,还勉强可以采用准实时的遥控方式控制航天器平台和有效载荷;对于其他更遥远的行星,只能寄希望于探测器的自主控制能力,对传输数据的解码和纠错能力有很高要求。
为了应对深空通信中信号的巨大损耗和时延,通常采用以下措施:
* 提高载波频率;
* 采用低温制冷的低噪声放大器;
* 增加地面站接收天线和探测器上对地天线的口径;
* 增加大发射功率,提高功率利用率,降低系统解调门限信噪比;
* 提高频带利用率,减少对邻道信号的干扰;
* 采用信道编码、译码技术以获取编码增益;
* 采用信源压缩技术以减少传输数据量;
* 不依赖地面的实时控制,充分保障探测器自身的自主控制能力。
2.3 深空高精度连续测轨困难
近地航天器测轨中常用的R、A、E测量体制,随着目标距离的增大,自身测量精度的限制使得对深空探测时的测量误差将放大到不可容忍的程度。
为获得高精度的测轨结果,目前普遍采用的测轨手段是VLBI技术。90年代,美国DSN的VLBI测角精度就达到了5nrad,对应火星的测距误差达到2.06km。
此外,由于地球的自转,单个地面站的连续跟踪能力有限(8h~10.5h),一个国家或组织的地域是难以做到不间断连续跟踪测量的。为此,各国都在积极兴建自己的深空站/网,而目前只有美国DSN实现了真正意义上的全球覆盖。随着深空任务的不断增加,各国家和航天组织间加强国际交流和合作,以充分利用有限资源成为必然趋势。
3 美国深空测控通信网概述
3.1 DSN概述
美国深空测控通信网简称深空网,即DSN (Deep Space Network)。DSN的管理机构是NASA下属的喷气推进实验室,即JPL。JPL已向太阳系中的每个行星都发射了无人探测器,研究并完成了一系列深空探测计划(包括2003年著名的火星表面探测任务)等[2]。在JPL的管理下,DSN执行着对月球、行星和行星际探测航天器的跟踪、导航与通信任务,支持双向通信链路,支持探测器图像和科学数据的接收等。DSN还支持射电天文学、雷达天文学及其相关的观测活动;此外,也支持一部分地球轨道的测控任务。
作为世界上最大最灵敏的科学通信系统,其控制中心就设在JPL的总部所在地——美国加州的帕萨迪纳;其主要组成部分是三个深空联合体:美国加州的金石(Goldstone)、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉,它们以120°的经度间隔均匀地布置在地球上。
DSN战略性的地理布局,赋予了其得天独厚的优势:可以不间断地跟踪、遥测并且控制太阳系任一轨道运行的飞行器。DSN的每个联合体都至少包含4种深空站DSS(Deep Space Station),并且每个深空站都配有高灵敏度的接收系统,以及高增益、大口径、远程可控的抛物面反射天线:1个由4个12m天线组成的天线阵;1个直径为34m的高效率(High Efficiency,HEF)天线;1个直径为34m的波束波导(Beam Waveguide,BWG)天线(Goldstone有3个);1个直径为70m的天线。其中,34m、70m天线用于支持深空任务,小一些的天线则用于地球轨道任务。控制中心远程控制34m和70m天线,产生并发送遥控指令,接收并处理航天器遥测。此外,34m天线子网除了跟踪测量探测器,还能用于甚长基线干涉测量(VLBI和射电源观测)。
DSN的34m直径BWG天线[3]建造于90年代中期,采用一系列微波反射面,从反射器表面将能量引导到主结构下受控的一个焦点上。天线采用新结构和材料使G/T值更加优化,但在原理上没有新发展,只是使用成型的主反射器和副反射器增加了孔径效率。
DSN的70m子网[4]包括DSS14、DSS43和DSS 63,均由64m直径天线改造而来,开始工作于1966年,最早是作为火星站用于支持水星4号的探测活动。在1982~1988年期间将天线的直径扩展为70米后,大大增加了探测能力,从而可以支持旅行者2号与海王星相遇活动中的跟踪与控制任务。
70米子网的深空站同时支持X波段以及S波段来作为上行和下行传输的载波。
3.2 DSN信号覆盖范围
以34mBWG子网为例,图 1是其覆盖情况[5],颜色越深的区域代表航天器轨道越低。由图可知,对于500km轨道的覆盖非常有限,并没有优势;但当轨道高度达到地球同步轨道(36000公里左右)时,DSN全球覆盖的效果有较强的体现;当航天器距离达到行星际时,DSN的覆盖优势将完全体现。此时,通过美国金石、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉三个深空联合体的交互配合,可以将无覆盖区域压制到南大西洋等个别区域。由于太阳系行星的跟踪覆盖区域其实仅在大约南北回归线之间,因此对于太阳系探测来说,DSN已能达到全覆盖。
3.3 DSN遥控
DSN的日常遥控工作模式是用户驱动模式[6]。DSN地面站的任务仅仅是将接收到的格式遥控数据调制到射频并通过天线发射出去。DSN仅对收到的遥控信息进行格式适应性检查,但不会对遥控信息的内容进行译码等任何改变,并且也不保证上行遥控的正确性;航天器的项目方需要自己对其提供的遥控信息进行检错和纠错。
另外,DSN还会为每个航天项目储存少量应急遥控信息,一旦出现与航天器失去联系等危急情况,可以迅速使其恢复一个安全的状态。但这是属于常规遥控操作之外的情况。
DSN遥控的最远距离,在较低码速率时取决于载波跟踪性能;在较高码速率时取决于有效Eb/N0。探测器姿态失稳时遥控捕获需要使用全向天线,并且上行遥控副载波调制度需低至0.5rad,以使载波能分配到更多的能量;而正常情况下,探测器使用高增益天线进行遥控通信,上行副载波调制度将高达1.2rad。
在低于10bit/s的低码速率通信中,使用34m天线时,最远的遥控距离只能到达水星轨道的远地点。而使用70m天线,发射功率为20kW时,则可达到火星的远地点;当发射功率提高到400kW时,遥控距离可超越土星的远地点。
在使用高增益天线且调制度为1.2rad时,遥控距离得到了极大的提升。此时,在低于100bit/s的码速率的通信中,即使使用S波段34m天线、发射功率为20kW时,遥控距离也已能达到海王星的近地点。若使用70m天线,发射功率提高到400kW时,遥控距离更是大大超过了冥王星的远地点,直至超越太阳系的边界。
3.4 DSN遥测
典型的DSN地面遥测接收系统模块[7]主要包括射频接收、符号同步、帧同步、解扰、信道解码以及CRC校验等。DSN遥测系统[8]的载波调制通常有残留载波和抑制载波两种,二者的性能差别主要取决于码速率:低码率或超低码率时,残留载波有较大优势,其需要的解调门限明显比抑制载波时低得多,尤其是在载波环路带宽较大时;而在中、高码率时,抑制载波具有优势,但随着码速率的进一步提高,相应解调门限进一步放宽,其优势将仅为0.1dB。
DSN遥测最远距离与传输码速率呈线性关系[9],码速率越高,最远距离越短。当码速率低至10bit/s时,若航天器载遥测天线为全向天线,则即使地面使用70m天线,也仅能到达木星平均轨道;若航天器载遥测天线等效辐射EIRP高达82.4dBm时,遥测距离则能远远超出冥王星的范围,直至超出太阳系范围。
3.5 DSN轨道测量
3.5.1 VLBI测量
轨道测量是个复杂的过程,要想得到精确的测量值,必须借助VLBI(Very-Long Baseline Interferometry)技术,即甚长基线干涉测量法。70年代初,美国NASA首先将VLBI技术应用于航天器的精密定位和测轨,用VLBI技术测量Apollo登月的月球车的运动路线就是一个著名的实例[10]。2001年,使用VLBI技术参与美国的奥德赛(Odyssey)火星探测器的测轨,入轨的高度误差小于1公里。它避免了进入环火星轨道时,由于火星与地球的几何关系原因,单用测速测距方法,难以保证探测器入轨精度的问题。此外,VLBI测轨还大大提高了美国火星车进入火星大气层的入射角的精度,从而缩小了着陆区的误差椭圆。
DSN在VLBI的应用中,主要是采用多频点基于宽带的ΔDOR技术和单一频点基于窄带的ΔDOD技术。ΔDOR技术通常在转移轨道段、行星探测器入轨段和特殊观测任务中使用[11]。目前只有DSN真正实现了基于多频点的宽带ΔDOR技术,并成功地用于诸多的探测任务之中。
3.5.2 SBI测量
同波束干涉技术(Same Beam Interferometry, SBI)主要用于对双探测器或多探测器的同步相对精密测轨。例如早期NASA在对阿波罗月球车相对着陆器的精确月面轨迹测量时就用到了SBI。其测量原理主要是使用两个深空天线对两个角度意义上非常接近的探测器同时观测,两个探测器的载波相位可被同时跟踪,进而可以进行差分干涉测量。这种方法使用了载波相位而不是群时延,相比ΔDOR可以进一步提高测量精度。近年NASA使用SBI技术确定火星着陆舱和漫游器间的相对位置精度已达到几米的量级。
4 深空网的发展方向
为了满足NASA及其他航天局任务迅速增加的需要,JPL制定了一系列发展计划[12],具体包括:①改造现有地面测控网,延长天线的寿命;②建造甚大规模天线阵,进一步提高信号接收能力;③开展深空光学通信网研究,提高空间传输速率;④建立火星网、星际因特网等。这些发展计划的重点主要是优化结构,以及在预算不断削减的情况下进一步降低操作维护费用、提高服务能力。上述4项计划也正是当今国际航天测控技术的发展方向。
5 结束语
70年代,冷战促成了美国举全国之力完成了阿波罗计划这一人类历史上最伟大的载人航天工程;美国深空测控通信网有今天的科技成就和成熟发展,完全得益于计划完成后的丰富技术遗产。
目前,我国虽然也已建设了上海、北京、昆明和乌鲁木齐四个深空站,但离建成独立自主、性能优良、测控水平先进的一流深空测控通信网还有较大差距。但随着我国太空探索的不断深入,国家对航天事业的不断加大投入,我国的深空测控通信技术实力必将实现质的飞跃。
摘要：本文首先分析了深空测控通信中面临的信号损耗、时延以及难以实现高精度连续测轨等问题;介绍了美国深空测控通信网的地理分布、组成部分及使用设备,研究了美国深空网在信号覆盖、遥控能力、遥测能力及轨道测量方面的技术特点,总结了深空网的发展方向。
关键词：深空,测控,通信,美国深空网
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[9]P.W.Kinman.207,Rev.A,34-m and 70-m TelemetryReception[DB/OL].DSMS Telecommunications Link De-sign Handbook,2003.http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/.
[10]P.W.Kinman.211,Wideband Very Long Baseline Inter-ferometry[DB/OL].DSMS Telecommunications LinkDesign Handbook,2006.http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/.
[11]P.W.Kinman.210,Delta Differential One-way Ran-ging[DB/OL].DSMS Telecommunications Link DesignHandbook,2004.http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/.
大坝外部变形远程测控技术研究 篇10
1 计算机远程监测及后处理系统原理
该系统实现计算机对全站仪的远程全面控制, 采集坝体的水平位移监测点坐标数据值, 自动远程传输到计算机进行数据处理并保存到数据库中。整平、自动调焦、正倒镜观测、进行误差改正、记录观测数据TCA全站仪均能够自动完成, 而其独有的ATR模式, 使全站仪能进行自动目标识别, 操作人员不再需要精确瞄准和调焦, 粗略瞄准棱镜后, 全站仪就可搜寻到目标, 并自动瞄准。根据大坝外部变形水平位移监测方法的特点, 需要测量的只是相对变化量, 若采用建立基准站进行差分的方法, 坐标法测量点位的位移精度可达到亚毫米甚至更高。系统在无人情况下可以实现持续监测, 并可实时进行数据处理。监测系统完成1个周期的测量, 包括全站仪对基准点, 变形点的正、倒镜测量数据采集、数据传输、计算机处理等步骤, 只需15 min左右, 时效性加强。在软件运行前, 需输入全站仪测点及工作基准点的国家坐标值来建站, 以便监测其他变形监测点国家坐标。
监测到其他变形监测点国家坐标值后, 由于不考虑坝体沉降, 所以将原始监测点设为D1 (X1, Y1) , 其位移变化后变形监测点设为D2 (X2, Y2) , 则认为D1沿着平行于坝面移动到H点后, 再沿着垂直于坝面移动到D2点。则D1—H的距离就是平行于坝面的水平位移, H—D2的距离就是垂直于坝面的水平位移。
监测系统在短时间内完成各变形点的三维坐标测量, 可同时获得每个变形的平面和垂直位移信息。因此, 根据要求, 调整数据处理方案, 可作全方位的变形监测与预报, 包括大坝的位移、倾斜等。
2 远程监测及后处理系统功能
2.1 工程管理
实现监测工程属性的设置功能, 需要设置的工程属性包括项目名称、选择项目路径、观测者、监测时间、观测期数等。属性成果可以实现以ini文件形式和数据库形式存储。
2.2 通讯参数配置
主要是配置计算机串口的通讯参数, 默认设置参考参数为“9 600, n, 8, 1”, 延迟:设置应大于10 s。
2.3 测量参数配置
实现对全站仪的测量参数进行配置和管理, 参数包括气象参数和限差;需设置和管理的气象参数包括温度、湿度、气压共3项;需设置和管理的限差参数包括测回数目、2C差、指标差、2C互差、指标互差、归零差、水平方向角互差和垂直方向角互差共8项。
2.4 全站仪定向设站功能
在全站仪调平仪器并正镜对准后视棱镜后, 可以根据输入的全站仪设站坐标和后视点坐标实现设备的定向操作。
2.5 测点学习功能
实现坝体观测点的初始学习功能, 对坝体监测测点监测初始位势设定, 通过人工瞄准目标后, 选择学习功能测量获得测点初始数据, 保证全站仪在自动测量操作中能够快速寻找到目标测点, 该方式适用于新建观测网的初始化。针对已建观测网, 系统也支持测点初始位置坐标的手工输入[1,2]。
2.6 选点测量功能
实现了测点选择与测量功能, 从学点数据中选择需要观测的测点到此次观测目标点中, 确定视点后系统将按照顺时针方向, 采用全圆观测法进行观测操作, 并及时返回平差后的观测成果, 观测成果自动保存到监测数据库中 (图1) 。
3 分析评价功能
对已建土石坝, 主要是针对表面变形进行观测, 包括表面竖向位移和水平竖向位移。变形观测的目的:了解大坝变形变化规律, 预测今后变化确定变形是否稳定;了解大坝是否会裂缝, 裂缝发展的可能深度, 是否构成大坝隐患。其重 (上接第235页) 点分析功能如下。
3.1 竖向位移模型优选
在进行竖向位移分析时, 先建立统计模型。考虑到土石坝竖向位移主要受时间因子的影响, 可采用时间单因子模型。
3.2 漏测竖向位移量估算
由于大坝在建成初期竖向位移量较大, 而这一时期往往没有观测, 所以漏测竖向位移的估算直接影响变形分析的准确性。在竖向位移模型优选成果的基础上, 可用该模型来计算漏测竖向位移量。
3.3 竖向位移率分析
通过竖向位移漏测量的推算, 可得到总竖向位移, 进行竖向位移稳定分析。竖向位移分析主要包括竖向位移率计算计算, 并根据竖向位移率判断是否可能存在裂缝以及该处竖向位移是否稳定。
3.4 裂缝风险分析
如分析竖向位移时发现坝体可能存在裂缝, 应该分析裂缝, 计算倾度进而判断坝体是否存在纵向不均匀竖向位移裂缝。
3.5 裂缝判断方法
若γAB超过临界倾度, 则可能存在剪切裂缝, 技术工作人员应核查剪切裂缝。临界倾度多根据坝体材料的土梁挠曲试验获得, 如无抗拉参数, 则可根据坝体实际发生裂缝的资料反推破坏参数, 或以临界倾度为1%, 进而做保守判别。
4 结语
该研究成果目前已在辽宁省柴河和大伙房2座大型水库成功应用, 各项技术指标均经历了多年实践的检验, 取得了良好的应用效果, 大大的简化了全站仪的操作复杂性, 并可实现远程控制功能, 结合远程测控模型开发一套大坝外部变形监测分析评价系统, 系统具有监测采集数据管理、变形成果的规范化整编、形象化显示和监测, 通过实际工程验证, 效果良好[3,4]。
参考文献
[1]黄德武, 章庆华, 王宗文.马鹿塘水电站二期大坝变形监测设计及施工期成果[J].云南水力发电, 2010 (6) :94-96, 112.
[2]唐成书, 吴成滨, 滕勇.东风水电站大坝外部变形观测资料初步分析[J].贵州水力发电, 2001 (2) :13-16.
[3]颜成慧.光电跟踪式垂线坐标仪在东风水电站大坝变形观测中的应用[J].贵州水力发电, 2001 (2) :21-24.