航空航天体系标准范文

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篇1

2016年10月12日，国家国防科技工业局党组在《人民日报》刊文称，中国将力争在2020年左右实现重点突破，加速迈向航天强国；2030年左右实现整体跃升，跻身航天强国之列；2050年之前实现超越引领，全面建成航天强国。

工业和信息化部副部长、国家国防科技工业局局长、国家航天局局长许达哲说：“‘十三五’是中国航天发展的战略机遇期，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。”从航天大国到航天强国，我们还有多少路要走？

我国距离航天强国还有多远？

航天强国有哪些具体指标？中国航天科技集团董事长雷凡培曾在接受采访时表示，航天强国的指标包括100项产品技术指标和27项经济指标。

现在，我国能达到国际先进水平的指标有三分之一。产品技术指标中，载人航天工程、月球探测等一些主要指标上，已达到国际先进水平；经济指标中，有一半的经济规模指标已达到，但人均指标仍有差距。从目前来看，“十三五”乃至未来的一段时间，我国将从重大项目、工程落地和应用层面进行布局。

在重大项目上，围绕国家重大战略需求，我国将选择重点领域，启动实施天地一体化信息网络、深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统、重型运载火箭等一批新的重大科技项目和重大工程。

例如，载人航天工程建成长期有人照料的空间站，开展较大规模的空间应用；探月工程实现“三步走”战略目标，嫦娥五号实现特定区域软着陆及采样返回，嫦娥四号实现人类探测器首次月球背面软着陆；高分辨率对地观测系统全面建成，为形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的综合对地观测体系提供支撑；第二代北斗卫星导航系统覆盖全球，形成高质量定位、导航和授时的全球服务能力。

另一方面，加强空间科学研究，提高人类科学认知水平。充分发挥空间科学在创新、发现和技术牵引方面的重要作用，持续推进载人航天、月球探测以及空间科学先导专项等工程的科学探索，开展空间天文、空间物理、微重力、空间环境、空间生命等空间科学研究，建立可持续发展的空间科学计划，加强空间科学探索研究，在空间科学前沿领域取得重大发现和突破。

而在应用层面，商业航天发展和产业化应用是重要方向。我国将围绕国民经济建设和社会发展重大需求，完善卫星应用体系，拓展卫星应用领域，强化卫星在资源开发与环境保护、防灾减灾与应急反应、社会管理与公共服务、大众信息消费与服务等方面的综合应用。

此外，我国还将进行航天体系的体制改革。例如，推进航天科研院所分类改革和混合所有制企业改革，科学划分航天科研院所类别，坚持生产经营类院所企业化转制，推动建立现代企业制度。

构建航天新业态

雷凡培曾表示，从欧美航天产业发展历程来看，航天产业的直接投入产出比约为1：2，而相关产业的辐射则高达1：7至1：14。我国航天产业的直接投入产出比较欧美略低，相关产业的辐射可以达到1：7至1：10的区间范围。在航天的商业应用上仍有提升空间。

这样的辐射力正在吸引着地方布局商业航天产业。

2016年9月，我国首个国家级商业航天产业基地落户武汉。该基地将以发展商业航天为主导，以新一代航天发射及应用为核心，通过科技创新、商业模式创新和管理创新，打造航天运载火箭及发射服务、卫星平台及载荷、空间信息应用服务、航天地面设备及制造等四大主导产业。

复旦大学航空航天系教授孙刚认为，地方这样的探索尝试，是希望能够在航天商业发展上做出一些产品。但要想达到盈利目的，时间还比较长。

在他看来，国外之所以能出现像SpaceX公司的“猎鹰-9”完成世界首次海上回收火箭这样的实践项目，是因为技术基础较牢靠。“我们能做出一些产品，但后续的产品延保需要大量的技术保障。”

北京航空航天大学通用航空产业研究中心主任高远洋表示，从我国国情来看，吸引社会资本和减低民营企业进入航天领域门槛，也是难点和重点。因为航天航空领域往往自成体系，传统做法是进行体制内配套。未来，可以考虑在准入标准上，进行一些体制机制突破。

这也是今后的一个探索方向。例如，我国将探索推广政府与社会资本合作（PPP）等模式，鼓励和引导社会力量参与国家民用空间基础设施、卫星地面应用系统等建设运营，以及空间信息产品服务，培育“互联网+卫星应用”新业态，建立完善政府购买服务的模式，促进商业航天健康发展。空间站、探测器登月返回等国家重大航天工程将持续实施，服务经济社会发展的北斗导航、高分、海洋等众多卫星项目产生良好而广泛的经济和社会效益……当前和今后一个时期，作为产业链较全的航天大国，中国航天正迎来一个难得的发展机遇。如果能够抓住这个机遇并利用好，将加速实现我国从航天大国向航天强国的历史性跨越，包括具备全面的宇宙空间探索能力，建成完善的国家空间基础设施和航天装备体系，具备引领航天技术发展的自主创新能力，具备实力雄厚的航天国际竞争力和话语权等。

在机遇面前，一方面需要航天大型企业和研究机构不断创新，继续引领整个行业和领域发展：另一方面，也可以看到，一些新的研发机构和民营企业也对民用航天领域充满热情，并具备了跨入门槛的实力。如2015年发射的第一颗新一代北斗导航卫星，由中科院和上海市合作共建的上海微小卫星工程中心研制，采用了不同以往的卫星新平台和新技术，在性价比上比较有优势。如果能够让这些新生力量获得更多参与、成长的机会，整合到航天产业的生态链中，与大型航天企业一起合力构建起更为开放的民用航天创新生态，将为中国航天带来更广阔的创新空间。

篇2

VR技术在教学中的优势

VR的特征可以用“3I”来描述，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、思维构想性（Imagination）。沉浸感指学习者对虚拟环境的感受程度，虚拟环境的创设越接近现实，沉浸感越强。交互性指学习者可以对虚拟环境中的事物进行操作，并能得到反馈，如身临其境一般。思维构想性指利用计算机技术建构与现实一样的环境，也可以建构想象出来的空间，拓宽用户的体验范围，丰富体验种类。

1.激发学习动机，增强知识建构

VR技术通过构建多感官刺激的交互环境，丰富了学习者的学习体验，学习者在虚拟的教学环境中可以充当各种角色，如在煤矿或核电站进行抢修的维修工人、在医院进行手术的医生、在太空探索的宇航员等。学习者在逼真的情境中充分参与教学过程，这就有效激发了学习者的学习动机。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。在VR技术发展迅速的今天，教学情境和文化背景都可以通过VR技术来实现，学习者在VR环境中展开学习，对事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的内在联系的理解能够达到较深层次，能够增强知识的建构。

2.虚拟真实情境，提升创造能力

由于VR技术的特殊性，平时在现实中不敢尝试的实验都可以在VR环境中体验，可以无限制地改变试剂的用量，或是大胆尝试将不同的反应物进行融合，只有想不到的，没有做不到的，这种突破性的尝试可以有效提高学习者的创造能力。

3.打破时空壁垒，体验身临其境

在传统教学中，教学的时间、地点是相对固定的，且对于比较抽象的知识点，教师只能通过口述或者多媒体来呈现其形象，而VR技术的出现打破了时空的界限，教学活动可以随时进行。同时，VR教学可以把抽象的概念形象化、具体化，学习者可以在几分钟的教学时?g内观察生命成长的轨迹，也可以形象直观地观察分子原子的构成，甚至可以将宇宙天体掌握在自己手中，学习者能够完全融入到VR技术所创设的情境中。

4.节约教学成本，实现可持续发展

在传统教学中，实验是一项消耗型的教学活动，为了让学习者更好地掌握反应原理，大部分学校常常需要投入大量财力来购买实验用具和材料，实验的生成物又很难被再利用。VR技术出现后，可以大大缓解学校财力、物力的投入，学校只需引进相应的VR设备，并创设教学所需的虚拟环境和虚拟实验用品，学习者就可以进入虚拟实验室进行学习，这种学习方式有效地节约了教学成本。从长远来看，学校引进的虚拟设备可以被各届学习者反复使用，不存在传统教学中的残渣废料，真正实现了可持续发展。

5.规避潜在风险，保证教学安全

很多实践课程由于课程的特殊性，并不能在实际中进行操作，这时就可以利用VR技术。例如，讲解核武器的实战效果，教师可以利用VR技术模拟核爆炸的现场，学生通过身体传感器感受核武器的爆炸威力，并通过视频传感器观察核爆炸的特点。这样通过VR技术建构核爆炸现场，可以有效避免核武器给学生带来的伤害，又可以让学生很好地理解晦涩的知识点。当然，也有很多实践课程存在潜在的未知的风险，造成人身伤害，如应急情况的演练、地理的勘探、船舶汽车的制造等，此类动手操作要求很高，存在一定风险，学生在操作的过程中很容易受伤，为了避免这种情况的发生，教师同样可以利用VR技术来进行教学，进而有效地保证教学安全。

6.丰富实践经验，弥补动手能力不足

在传统的操作类课程中，由于教学设备有限，通常是教师在设备前进行操作，学习者围绕在其周围观摩，然后再逐一或分组进行实践，而课堂时间有限，部分学习者还没有操作就下课了，或者只操作了一遍，这样就导致学习者只了解大致流程，并没有真正掌握。在VR技术的支持下，每位学习者都可以充分发挥主观能动性，每个实践技能都可以经过反复的训练，每台设备都可以用身体去感知、触摸，这就弥补了传统教学中动手能力不足的缺憾。

7.资源共享，实时交互

交互性是VR技术的特征之一，它在教学中具有很明显的优势。交互性包括师生交互、生生交互、单人-机交互、多人-机交互，在同一虚拟空间内，教师和学习者可以同时进入，并在其中进行实时交流，学习者之间也可以进行及时的讨论，学习者使用输入设备可以对虚拟的物体进行操作，并通过输出设备感受虚拟物体所发生的变化，如向空中抛出一个球，可以感受到球受重力的作用发生自由落体运动。这种实时交互的感官刺激可以带给学习者真实的体验，提高学习的效率。另外，虚拟现实技术在教育教学上还能够实现课程的数字化学习，可将课程学习内容作为学习者的学习资源，并与其他的相关资源一并提供给学习者，实现资源共享。

VR技术在教学中的劣势

1.虚拟与现实之间存在落差，对学习者心态产生消极影响

由于虚拟环境带给学习者沉浸性体验，逼真的三维立体环境会深深地吸引学习者，当课程结束时，学习者可能还会沉浸在情境中，回到现实中时会产生一定的落差，这种落差可能是负面的，学习者可能更渴望回到虚拟的世界中，沉迷于虚拟情境，如基于VR技术的游戏化教学，这会对学习者的心态产生消极的影响，不利于学习者的学习。

2.VR技?g在教学中没有统一的标准，无法完全保证教学质量

2016年被称为是“VR元年”，所谓“元年”是指事物开端之年，对于VR领域来说，“元年”意味着各大主流生产商相继推出面向普通消费者的VR产品，全球科技公司纷纷布局民用VR产业。随着VR技术由高端化向平民化转型，VR技术在教育领域的应用也更加广泛，目前很多知名的科技公司开发了用于教育领域的VR产品，国内也有部分高校成立了VR实验室。VR技术如雨后春笋一般在教育领域生根发芽，但是目前仍没有一个VR应用于教学的规范标准，各知名企业和各大高校很难将自己的VR产品与其他VR产品进行联通，这就降低了VR产品的兼容性。

目前，我国VR行业仍处于起步阶段，供应链及配套产品还不成熟，硬件设备、软件工具、内容生产等各层面标准的制订迫在眉睫。

3.在教育教学中盲目推广VR技术

VR技术在教学中的应用为媒体教学提供了新的途径和教学方法，然而这并不代表VR技术在教学中可以泛用。开发一套VR教学设备和教学内容需要花费巨大的人力、物力、财力，而且还有一些教学内容不适合用VR技术来进行教学，如小学阶段一些偏识记的知识点。另外，还存在一些使用VR技术不能达到显著效果的科研类课程，此类课程若非要用VR教学媒体那就是画蛇添足，并会造成不必要的浪费。所以，在教育教学中，教师要根据课程的教学目标和课程特点来选择合适的教学方式，要避免为了追求科技上的高精尖而盲目地推广VR技术。

4.VR设备仍无法做到无线连接，阻碍教学体验

VR技术在教学中的应用能够为学习者带来前所未有的体验，但仍然摆脱不了空间的约束。到目前为止，我们所熟悉的VR设备仍需有线连接，且要多个设备协同工作。例如，现在大家比较认可的Oculus Rift、HTC Vive VR头显，它们大体由主体头戴显示器一只、2.5mm线缆一根、MiniUSB一根、摄像头一个（自带支架）、短焦透镜2个、各个国家不同制式插头4个、带国标插头的电源一个等组成。若要实现更多的感官刺激还要连接更多的线缆，学习者在体验的过程中要时刻注意线的连接，不能随心所欲地移动，降低了体验的满意度。

VR技术在教学应用中的机遇

1.国家政策的支持

2006年国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006―2020年）》中，VR技术被列为信息领域优先发展的前沿技术之一。2016年4月9日在深圳市举办的第四届中国电子信息博览会“虚拟现实产业发展论坛”中，工业和信息化部电子工业标准化研究院了《虚拟现实产业发展白皮书》（以下称《白皮书》）。《白皮书》提出“首先是提前谋划布局做好顶层设计，加快制定产业发展路线图，建立和完善相关标准体系；其次是推进产业化和行业应用，通过财政专项支持虚拟现实技术产业化，支持虚拟现实领域核心技术突破，加强重点领域应用示范；最后是加强文化和品牌建设”。截至2016年，教育部已批准300个国家虚拟仿真实验教学中心（教育部，2016）。在国家政策的支持和正确引导下，VR技术逐渐走向成熟，再加上我国经济发展迅速，更为VR技术在教学中的应用提供了保障。

2.社会力量的加入

从上世纪90年代起，我国从开始重视VR技术的研究和应用，由于技术和成本的限制，VR主要应用的对象为军用和高档商用。近年来，随着芯片、显示、人机交互技术的发展，VR产品才逐步进入市场并实现平民化。很多大型科技公司和各大高校也相继将VR技术推向教育领域，如爱奇艺在2015年了一款非商用的VR应用，黑晶科技推出了VR/AR超级实验室，百度教育事业部预计在2017年推出VR教育产品，HTC与美国Life liqe合作，打造VR教育启蒙工具等。北京航空航天大学、清华大学、同济大学建筑学院、山东大学、北京大学等高校也建立了VR实验室，这足以说明VR技术在教育领域具有巨大的潜力。

3.VR技术在技能培训中的需求日益增加

VR之父托马斯?费内斯（Thomas Furness）说过：“VR改变社会，从教育开始！”VR技术作为一种新型的教学方式在教育技能培训领域得到广泛应用，如军事教学、医学实习、体育训练、仿真实验、特殊教育、工业实训、艺术创作、游戏教学等。传统的技能培训是一项消耗型的教学活动，教学成本很高，且伴有一定的风险，而随着VR技术的逐渐成熟，可以有效缓解这一问题，VR技术善于创造三维立体的、逼真的教学环境，这就降低了高额的教学成本，又由于所有的教学内容都是虚构的，因而也有效地保证了学习者的安全。正是VR技术这种低投入、低风险的特点，在各种技能培训中，教师们越来越倾向使用基于VR技术的教学方法。

VR技术在教学中的威胁

1.产品价格与产品性能不平衡

VR技术在教学中的应用不断向平民化发展，但VR设备的性能和价格仍然呈正相关，产品的性能越好价格越高，目前市面上的VR产品从十几元到几百万不等，如CAVE（洞穴状自动虚拟系统）系统价格高达百万以上，在军事演练或航空航天专业领域，这个价格是可以承受的，但在基础教育领域，价格不菲，这就在很大程度上制约了VR产品的平民化。虽然，也有价格便宜的VR产品，但是其设备内部不具备陀螺仪，使用者晕眩感强烈，基本上不能使用。因此，VR产品性能和价格还存在悖论，VR产品是以学习者体验满意度来进行迭代更新的，不能以牺牲VR产品的性能来换取价格的降低，所以降低VR产品开发成本，提高VR产品的普及率是开发商和各高校VR实验室需要重点解决的问题。

2.不适感降低学习体验满意度

目前，VR产品学习者体验的满意度还有待进一步提高，一方面是VR教学产品主要通过头显来观察变换的环境，对画面的质量要求很高，至少要达到4k的画质，但目前大部分的VR产品分辨率很低，难以使学习者沉浸其中。另一方面是画面延迟引起的晕眩症、疲劳感。研究表明，产生眩晕症的原因是眼睛看到的画面和耳朵听到的声音信息位置不匹配，导致脑负担过大，从而产生晕眩感。数据表明，延迟时间最多不能超过20ms，由于技术和设备上的限制，目前的VR设备还无法做到大面积地将延迟时间控制在20ms以内，这也是目前VR设备的一个致命弱点。因此，为了提高学习者的学习满意度，缩短延迟时间和提高分辨率是亟待解决的问题。

篇3

我们身边存在着很多流体现象，也许看不见、摸不着，然而它们就像空气和水，是一种重要的存在，影响着我们的生活。气象灾害、日本海啸、美国航天飞机的退役等均与流体力学有着密切的关系。由此可见，身边的流体现象无处不在。日前，中国科学院力学研究所研究员，博士生导师，中国科学院院士李家春来到了中国科学技术馆与广大市民面对面，为我们详细讲解“身边的流动”。

李家春说，2011年，人们遭遇了众多极端事件：日本海底地震导致海啸和福岛电站核泄漏；澳大利亚飓风、我国干旱与洪水灾害等异常气候问题，而它们的预测、预警都是流体力学的前沿问题。同样是在这一年，美国航天飞机历经30年，共飞行130余次，而后全面退役。在其退役的种种原因中，防热系统不可靠等安全问题，成为流体力学工作者需着力解决的重要课题。

日本海啸与流体有关

“日本‘3・11’地震海啸灾害伤亡惨重，并导致了福岛第一核电站的核泄漏。海啸灾害的发生需要几个条件，其中包括6.5级以上的海底地震、震源深度小于50公里、海底板块垂向运动等。传播到浅海海湾和海滩地区，因水的积聚和涌升而致灾，在夹带杂物以后冲击力更强。利用地震波与海啸传播的速度差，可以预警防灾。”李家春说，“为什么日本这次没有做好呢？原因有两个，一个是震源很近，离海岸线仅133公里，时间差很短；第二在于日本没有预见到九级地震会造成如此大海啸，防波堤设计标准低。如果核电站建在西海岸就要好得多。”

气候异常缘于大气环流非常不规则

2011年气候的异常使人类遭受很多损失。澳大利亚百年难遇的“雅斯”飓风；韩国首尔百年一遇的暴雨；包括北京城区内洪水也相对严重。气候异常究竟缘由何在？李家春对此解释：“由于海陆分布、地形高低、植被覆盖、土壤干湿等因素，还有诸如地球自身的公转和自转、日地关系、太阳活动、火山爆发等自然原因，大气环流是非常不规则的。近百年来，还有温室气体排放等人类活动的干扰，导致全球变暖，大气活动增强，表现为平均值缓慢上升，在平均值上下幅度的变化也增大。”

美国航天飞机退役，因为防热系统没有设计好

美国航天飞机退役原因也是瞩目的焦点之一。我们知道，航天飞机的好处是运送量大，把人和物资运到空间站去，所以人能够长期地在空间站进行科学活动；可以多次往返，似乎可以节省费用；还有一个好处就是回地落点比较准确。李家春说：“航天飞机退役最重要的原因是，防热系统没有设计好，维修费用很高，失事率高。两次失事，一次是挑战者号，一次是哥伦比亚号，牺牲了14个人，这样就不经济、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月，发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号最终退役。两架失事，三架放到博物馆。”

诗词里的“流动”

有谁想到古人的诗词中蕴藏着丰富的流体现象呢？在讲座上，李家春先以大家耳熟能详的七言绝句《早发白帝城》为例，“朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山。”这首诗将诗人遇赦后愉快的心情以及江山的壮丽多姿融为一体，描写的淋漓尽致，而“轻舟已过万重山”这顺水行舟的流畅轻快则体现出了一种流动现象。

李家春说：“为什么三峡建成前后，船的航速不一样？没建三峡之前可以轻快如飞。三峡工程建成以后，‘高峡出平湖’，流速就大大减缓了。实际上，这是由于河道的比降不同，也就是说水面的坡度不同所致。河水流动的动力，来自于重力沿着底坡的分量，比降大，该分量也大，所以流速也就增加了。”

此外李家春还举出《枫桥夜泊》里的一句“姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。”从表意来讲，是说苏州城外的寒山古寺，半夜敲响的钟声传到了诗人的船头。那为什么晚上寒山寺的钟声能传过来？“这里面反映了一个科学原理，”李家春说，“声波在大气当中的折射现象。到了晚上，大气的密度处于稳定层结，上轻下重，这样声音就会全反射回来，而白天的分层情况不同，所以可能听不到钟声。”

延伸阅读

现代流体力学具有先导作用

什么是流体力学？在讲座上李家春通过解答流体和固体的差别、流体的相态以及流体运动的表现形式等问题，说明了流体力学是研究流体介质的对流、扩散，以及相伴的物理、化学、生物过程，导致质量、动量、能量输送的现象。

流体力学既是一门经典学科又是一门现代学科。在17世纪，牛顿基于前人的天文观测和力学实验，发明了微积分，并总结出机械运动三大定律和万有引力定律，发表了著名的《自然哲学的数学原理》一书。由于原理是普适自然与工程各个领域的规律，从而使力学成为自然科学的先导。

自20世纪60年代以来，由于超级计算机、先进测试技术的发展和应用，力学进一步凸显宏微观结合和学科交叉的特征，并进入现代力学发展新阶段。李家春说：“现代流体力学在航空航天、海洋海岸、环境能源、生物医学、材料信息等诸多工程领域都发挥着不可或缺的作用。因此，现代流体力学不仅是一门重要的基础学科，而且在同国家经济、社会发展相关的各个工程技术领域仍具先导作用。”

流体力学的发展历程

流体力学历史悠久，它发展的过程可以分成四个阶段：基于实践经验的古代流体力学，基于严密数学理论的经典流体力学，基于物理洞察力的近代流体力学，以及基于现代高新技术的现代流体力学。

西方的古代力学，最早的有阿基米德的浮力原理和提水机，达・芬奇的扑翼机和降落伞，以及哈根・泊肖叶的管流实验。这些也都是流体力学，而且西方关于定量化的研究做得好，并上升为规律和理论。经典力学则以牛顿力学体系的建立为代表，主要推广到连续介质――就是像水、空气这样的介质。李家春说，经典力学可以得到很多理论公式，但是也面临困难，比如说解决不了飞机的问题。而近代力学靠的是物理思想，在1904年，普朗特在海德堡数学会上提出了边界层理论，解决了阻力和飞机设计问题。如果没有这个理论，到现在为止，我们不可能坐飞机在十几个小时到达纽约。

“中国古代的流体力学有很多好成就和贡献，最重要的一个贡献，就是2000多年前的都江堰水利工程。”李家春说，“鱼嘴分水堤严格控制内外江的水沙量，飞沙堰溢洪道控制洪水量，宝瓶口起着一个水库的作用，这些都是流体力学原理。”

专家答疑

疑问：要解决比如说航天、海洋、能源、环境问题，是用数学模式、物理思想、现代的超级计算机，还是兼而有之？

李家春：关于研究手段，比如气候预报，需要的计算量非常大，单纯靠手算是不现实的。100年以前曾有一位天文学家预测一个天体运动，推导了100多项，后来发现计算错了，结果算了一辈子都白算了，所以没有计算机不行。但是现在有另外一种趋向，就是年轻人不爱学数学、物理，单单学计算机，而且公式不推了，程序也不编了，为什么啊？因为有软件。人家编好程了，他只需要输进去数据，结果就能出来，挺不错啊，就是他不了解里边的含义，错了也没法改，这是不行的。只有学习了数学、物理中基本的知识以后，才能了解算出来东西对还是不对，了解里边的规律是什么，才能做到创新。

疑问：如果某些力学问题解决了，它能够带动哪些技术，解决人类的哪些问题？

李家春：我举个例子――湍流，这是一个百年的难题。湍流是1883年雷诺发现的，实际上在我们周围到处都是，水流里边、大气里边到处是湍流现象。但解决它又非常难，因它是无规则运动。20世纪以来有很大进步，第一条，就是把它的发生原因、转变过程、统计规律以及它的结构弄清楚了，但现在要预测它，对飞行力学、空气阻力、传热这些现象十分重要。另一方面，因为它的尺度非常小，计算机能力还不行，现在十的七次方已经很多了，它可能要算到十的十五次方，现在做不到，所以还要靠大脑的智慧。大家要知道，不必要把所有物质都分辨到原子、分子，这不可能，只有依靠物理思想对小尺度的现象建立模型，进行简化，计算量就大大减少了。所以还要学普朗特的精神。如果这个问题解决了，实现了减阻，每年都能省很多石油，可以把环境污染问题做得更好。

篇4

格……是故圣人不治已病治未病”。二是欲病早治，如《素问・刺热篇》云：“肝热病者左颊先赤……病虽未发，见赤色者刺之，名曰治未病”。三是早期治疗，如《素问・八正神明论》曰：“上工救其萌芽”等。《难经》提出了“治未病”的又一重要涵义，即治未病的脏腑。《七十七难》曰：“所谓治未病者，见肝之病，知肝传脾，当先实脾”。张仲景则将前人“治未病”思想融合，并在临床实践中予以发挥，使“治未病”思想贯穿于《伤寒杂病论》的始终。“治未病”理论发展至今天，又赋予其许多新的含义。如体质学说的研究认为：每个人先天体质有异，是引起不同证型的基础，今人匡调元提出两纲八要辨体质[1]。笔者曾提出在“治未病”理论的指导下对中医的无病有证进行积极的治疗，已达到治病于初始、消病于萌芽之目的[2]，并且进一步提出建立“亚疾病”概念，以推动“治未病”理论的深入发展[3]。

2 “治未病”理论的内涵

“治未病”虽然语言简要，但实际上这一词从提出到发展进而形成理论体系，其中包含了科学的辨证观，并给予人们揭示疾病本质的提示。自然辩证法认为，任何事物都是循序渐进、由微至著发展变化的，这是事物发展的必然规律。以疾病而言，任何疾病的发生发展都不可能是突然而起的，它必然要经过或短或长的隐伏阶段。也就是说，病理变化的信息量必须经过一个“蓄积”过程。当病变信息量较少时，人体一般从外观上难以看出明显的变化，感觉不到异常症状。随着信息量逐渐增多，可以表现出轻微的症状，这时虽有不适，但对人影响不大，常被忽略。目前的检测手段也常反映不出其异常变化，直至病变严重，才引起明显的全身或局部的典型症状，并且有客观数据可以检测，这时才是人们所说的“发病”，成为临床可以诊断治疗的疾病[4]。而“发病”前的全部状态均归属于“未病”阶段。显然这个未病阶段实际上不仅包括无病的健康阶段，还包括疾病的早期阶段、隐伏阶段。目前已基本得到公认的“未病”形态有四种，它们是健康未病态、潜病未病态、前病未病态、传变未病态。这四种未病形态充分体现了唯物主义的辩证思想[5]。“治未病”理论的精髓包含着三个方面的意义：一是防病于未然，即是未病之前先要预防，主要针对的是健康未病态。二是治病于初始，即是已病早发现、早治疗，主要针对的是潜病未病态、前病未病态。三是既病防传变，即是已发病后要重视未病脏腑的治疗，主要针对的是传变未病态[3]。我们称“治未病”为理论，更有学者进行研究而形成未病学，将其推至更高的地位，不仅是因为它包含着科学的辨证观，更因为它给临床实践赋予了真实的内容，并对临床实践起着重要的指导作用[6]。

3 “治未病”理论对飞行人员健康疗养的指导意义

3.1 飞行人员健康疗养的目的。飞行劳动是脑力劳动与体力劳动相结合的一种复杂而特殊的劳动，飞行人员的身心健康水平是安全飞行的前提和保证。飞行人员每年进行一次健康疗养，其目的在于早期发现和及时治疗疾病，以维护飞行人员的健康水平，增强体质并延长飞行年限，同时采取一切有利于调整生理、心理的不平衡状态的手段，达到预防疾病发生或抑制病理过程发展的目的；采取一切有利于消除飞行疲劳的手段，达到提高飞行耐力，提高工作效率的目的。飞行人员健康疗养期间，不仅实施体格检查与健康鉴定，对疾病及时进行矫治，而且还要实施航空生理训练、体育锻炼、文化娱乐活动等，并进行心理保健、合理的膳食营养及生活管理等。由此可见，飞行人员的健康疗养不仅注重疾病的早期发现、早期矫治，更注重未发现疾病时的预防和保健。

3.2 用“治未病”理论指导飞行人员健康疗养。

3.2.1 始终贯彻预防为主的思想。

即使是健康未病态也要积极的预防和调理，在充分利用各种疗养因子和落实各项疗养措施外，结合中医体质学的观点，辨证分类，给予不同的预防调理方案。

3.2.2 落实治病于初始的方针。一是积极治疗潜病未病态、前病未病态。健康疗养的飞行人员是一个身体相对健康的群体，除少数飞行人员有较轻的慢性疾病外，多数飞行人员的身体无疾病诊断。但是，由行劳动的复杂性及特殊性，许多飞行人员不同程度地存在身体上的自觉不适症状，或并无不适症状，但舌象、脉象却已出现异常改变，处于潜病未病态、前病未病态。这些多数属于中医的“无病有证”。 “无病”是指未达到目前有据可依的疾病诊断条件，“有证”是指中医“四诊”资料中可以找到异常证据，并据此可以辨证。笔者曾经观察过健康疗养的飞行人员的中医证型，结果表明，完全符合中医健康标准的飞行人员仅占健康疗养的飞行人员的19.3%，另外80.7%的飞行人员均患有慢性轻病或处于无病有证的状态。证型中主要有气虚、阴虚、血虚、肝郁气滞等型。气虚型以脾气虚为主，分中气不足、肝郁脾虚、脾虚湿盛等[7]。中医辨证靠的是望、闻、问、切。中医治疗以辨证为依据，在有可依的现代指征的情况下可参照指征，无可依的现代指征时仍能据证给于治疗，驱邪扶正，平秘阴阳，使身体趋向于健康未病态。因此对于健康疗养的飞行人员，除心理调适、体能训练、合理膳食等之外，还应运用中医的方法积极治疗潜病未病态、前病未病态。

二是时刻注重强肾健脾。肾为先天之本，肾气充盛能够提高人的应急应变能力和抗御外邪能力，脾为后天之本，脾气实则四肢肌肉有力并能充养先天肾。处于未病四种形态的飞行人员都应该时刻注重强肾健脾，以便进一步提高飞行人员健康疗养的质量，更好地达到增强体质，消除飞行疲劳，提高飞行耐力的目的。

3.2.3 用“既病防传变”思想指导飞行人员疾病矫治。要克服脏病治脏，腑病治腑的错误，积极治疗传变未病态。在飞行人员疾病矫治中，不仅要重视已病脏腑的治疗，更要在中医理论指导下重视相表里脏腑、将传变脏腑以及有生克制约关系脏腑的调治，以提高飞行人员疾病矫治的效果。

总之，用“治未病”理论指导飞行人员健康疗养，使“未病”的预防保健和治疗都具有了真实的内容，特别在尚未能确立客观诊断依据的初期，充分发挥中医辨证论治的优势，使中医能在疾病的更早阶段介入治疗，达到“治未病”之目的。把“治未病”理论引入飞行人员的健康疗养中，将减少飞行人员疾病的发生，提高飞行人员的健康水平，有利于消除飞行疲劳，达到提高飞行耐力，提高飞行工作效率的目的。

参考文献

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2王红梅.小议无病有证.中医杂志，2003，44(增)：123-125

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5宋为民，罗金才.未病论[M].重庆：重庆出版社，1994.38

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当前新的物理课程改革主要是改变以往的“精英教育”模式，克服应试教育的片面性，使之面向全体学生，立足学生的发展。新的课程目标是培养学生的科学素养，强调要改变以往的学科中心和知识本位的课程目标，建立科学知识、科学过程、科学文化的统一的课程目标。强调了对过程和方法的学习；强调了课程在情感态度与价值观方面的教育功能；重视了科学探究的教育作用；要求学生对科学、技术与社会之间的关系有更多的认识和理解。这就要求教师在物理教学中要着重培养学生的科学素养，使学生不但具有广泛的科学知识，还要掌握一定的科学方法，具有较高的科学觉悟和较强的科学精神。笔者认为可以从以下方面着手培养。

一、科学方法教育

在物理学发展的漫长历程中，不仅积累了庞大的知识体系，而且形成了“观察实验提出假设实验验证理论建立实践检验”科学的理论建立方法体系，此科学方法对于探索自然和其他科学领域的研究具有普遍适用的意义。教师在教学中要教育学生沿着此途径去思考问题、去寻求解决问题的方法，这是学生一种很重要的能力。为此应作以下努力：

1.课堂上通过对物理学史和前辈科学家的介绍，使学生认识到每个物理规律的得出并不是通过一两个实验、收集三五组数据就可以的，它们都是经前辈科学家使用众多的科学方法，一代代不懈努力、艰难探索才有此收获，课堂上用于归纳规律的典型实验只不过是对他们所做工作的浓缩。如万有引力定律的发现：第谷三十多年精心观察得到的宝贵资料开普勒经过观察和推算在近二十年的时间里陆续提出了三个定律开普勒三定律解决了行星的运动学问题，关于行星的动力学问题科学界提出了各种猜想牛顿经多年观察计算提出万有引力定律，并进行了多次地月验证，直到十多年后才确立了万有引力定律卡文迪许用经典实验测出了G的值科学家用它作为理论依据，预见并发现了许多新的行星证实万有引力定律的正确性。通过这些事例的学习使学生充分认识和理解科学方法的重要性。

2.利用教材中“猜一猜”“思考与讨论”等栏目，用猜想、直觉等非常规方法，将学生的经验世界引入到教学中，调动和发挥学生的创造性思维，引导学生提出假设，如在讲解力时可先列举学生日常熟悉的事例，让学生猜想、分析有没有力的作用、如何作用、怎样表现出来的，然后师生共同总结出力的概念。讲解摩擦力时，也是先举出多个例子让学生猜想、分析摩擦力的有无、大小及其变化与那些因素有关，最后总结出动摩擦力的决定式F摩擦=μFN并可使学生深刻领会理解FN的意义；归纳出静摩擦力的特点。从教学中的大量事例可看出学生已有知识和经验的引入常常是促进新知识获得的有效手段，教师在教学过程中，要充分利用学生的已有经验，还要结合学生所处的环境状况，将学生其他方面的实际经验作为学习的基础，充分发挥猜想、直觉对于科学发展的作用。

3.在物理教学中根据课程内容，适时地向学生介绍一些普遍适用的研究方法，（1）观察法：有意观察（讲开普勒三定律时向学生介绍丹麦天文学家弟谷的观察才能和科学精神）、无意观察（X射线就是伦琴凭无意观察和敏锐的洞察力才发现的）、直接观察、间接观察等；（2）实验法：探索性实验、验证性实验、实验数据处理方法、实验中常用的控制变量法等；（3）理想化方法：理想模型（质点、单摆、光滑平面等）、理想实验；（4）归纳与演绎方法：简单枚举归纳推理法、科学归纳推理法、演绎推理法；（5）分析与综合方法：定性分析、定量分析、因果分析、综合归纳等；（6）假说方法：科学的假说对科学发展起了重大作用；（7）类比方法：库仑定律就是库仑在做了大量的测定两个带电球体之间的相互作用的科学实验的基础上，与牛顿万有引力定律进行类比提出的；（8）比较和分类方法：异中求同、同中求异、分类等；（9）模拟方法：等效替代法、近似处理法等；（10）数学方法：比值定义物理量（E=F/q、R=U/I、B=F/IL等）、表达物理规律的形式化语言、运用图象描述物理现象和规律等。这些方法在科学认识过程中发挥着不同的作用，它们相得益彰。在一门课程中学到的知识是有限的，对于不以物理学为自己专业的学生而言，某些知识的细节可能以后也不会用到，但是通过学习所掌握的科学方法却可以迁移到社会生活的方方面面，使学生终生收益。

二、科学觉悟启发

学生对科学技术在人类社会进步中所起作用的认识，学生对科技成果的亲近感是学生科学觉悟的主要体现。教师在物理教学中要根据教材内容不断地对学生的科学觉悟进行启发。首先，在教学过程中加强科学技术的作用教育，充分利用教材内容和阅读材料，适时补充有关科学、社会的知识，把一些与生活密切相关而又十分有趣的知识介绍给学生，这样不但可以说明科学技术对社会进步的推动作用，还可以使教学内容进入学生生活，激发学习兴趣。其次，要通过教学使学生对于科技成果有亲近感，所谓亲近感并不要求人们对新科技有深入的理解，但是愿意接近它了解它，并在可能的情况下应用它。要求教师在教学中不能过分强调物理学科的主干知识和重点知识，不能使物理学科老是以严厉冷峻的面孔出现在学生面前，应根据学生的具体情况因材施教，贴近生活，使学生感到物理知识的学习并非枯燥无味、难以学懂学会，克服学生疏远物理学进而疏远科学技术的弊端。如（1）现代物理科学技术的新发展、新成果、新成就。如新型电池、半导体、超导体、激光技术、磁悬浮技术、现代航空航天技术、现代信息技术等。（2）与工农业生产密切相关的知识和技能。如太阳能的综合利用、浮力与打捞沉船、低温的获得及应用、电能的开发和利用、微观粒子射线的应用等。（3）与家庭、社会生活密切相关的知识和技能。如制冷设备、安全用电、安装照明电路、各种家用电器知识、自动控制和检测等。（4）一些重大社会问题。如环境保护、能源危机、噪声污染、光污染等。通过以上学习，可以使学生关注物理科学与技术、社会的关系，即用学到的物理知识和科学方法来认知、解释、分析和解决科学技术及社会生活中的重大问题。使科学方法教育更为贴近生活、贴近社会、贴近科技发展前沿，有利于不同学科之间知识和方法的整合。

三、科学精神陶冶

作为物理教师不只是单纯地传授知识，而是要引导学生体验科学真理，继承科学精神。通过教学逐渐改进和弥补学生受传统文化太深太广，许多场合用道德思维代替科学思维，重人情道德而轻逻辑规则这一科学精神上的缺欠。为此，在教学中应加强以下精神的熏陶：（1）培养学生的批判精神，使学生不唯书不唯上，不受传统观念的左右，把实践作为检验真理的唯一标准，这是极为重要而基本的科学精神。通过介绍、学习解放了人们思想的哥白尼《天体运动论》、标志着物理学真正开端的伽利略的《两种新科学的对话》、光的波粒二象性的研究过程、量子理论的建立等事例，用各位物理先辈大师在创立新理论、转变旧观念时的痛苦经历和百折不挠的精神对学生进行教育。（2）相信科学技术的伟大力量，是又一种科学精神，在工业化社会中，庞大企业和复杂社会的管理都需要包括符号使用技术在内的管理技术，它是产业技术的延伸；企业与社会的法制化管理，则是科学公理化的延伸。以上技术和方法都需要学生了解。（3）注意培养学生质疑和独立思考的科学精神，教学中要引导学生从“理所当然”的想法中、习以为常的现象中找出疑问、揭示矛盾，进而展开课题，探讨研究，总结规律，决不能让学生养成死记硬背、人云亦云的不良习惯。教师要对爱提问题的学生多鼓励、多帮助，即使学生提出的问题是错误的或是非常简单的，也要耐心解释，错误也是一种教育资源，千万不要挖苦批评，要让学生从教师的语言态度上感受到老师对他这种行为的赞赏和肯定，使学生的质疑和思考精神逐渐培养起来，不致扼杀在萌芽中。

四、科学美的欣赏

审美教育是培养高素质公民的重要环节。美育并不是艺术课程的“专利”，物理课程同样负有美育的责任。物理学在理论、实验等方面表现出的和谐奇异美、对称破缺美、简单统一美等，都能在学生的心灵深处激起美的震撼。教师在教学中要注意引导学生进行从艺术美到科学美的类比和联想，如电学和磁学的对称和不完全对称的对称破缺美；各种守恒的对称破缺美；光的反射、折射定律的简单统一美；物质波的简单统一美；光的波粒二象性的和谐奇异美；微观粒子和宏观世界的和谐奇异美等等。物理科学美有从微观粒子到宏观宇宙的多种运动形式的丰富内容，教师在教学中要潜心挖掘，启发讲解，教给学生发现美、欣赏美的方法和手段，使学生在学习科学规律的同时，逐渐总结出科学美的内涵，把科学内容和科学形式有机地结合在一起。

五、加强科学探究

学生科学方法与技能的训练，科学能力的培养，以及科学情感、态度与价值观即科学觉悟和科学精神的养成，是不可能通过简单的记忆、模仿和操练而达到的，它必须通过亲历某些科学探究活动，在参与的过程中去体验、感悟、最终内化。而学生通过自主的科学探究活动，可以更好地理解科学过程和科学方法的整体性，从而使学生更好地理解科学的本质。教师可经常给学生提出一些课题，也可让学生寻找课题，进行探究性学习。教师在学生的学习过程中不必过多干涉学生的探究活动，除非学生的活动完全偏离了学习的方向；要记下学生在讨论中发现的新问题、新概念，给予学生必要的支持和帮助；对于胆小、害羞的学生要有意识地鼓励引导他们；活动结束后，要引导学生用自己的语言做出总结。活动中教师要多看、多听、多感受而少说话，要鼓励学生相互间多交流、多探讨、多发表意见。科学的核心在于探究，而教育的目标在于促进人的发展，突出科学探究的过程正体现了科学的本质和教育的本质的结合。

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中图分类号： TN911?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0001?07

Design and implementation for control system of 53 cm binocular laser ranging telescope

HUANG Tao1， 2， LI Zhu?lian1， ZHANG Hai?tao1， LI Yu?qiang1， XIONG Yao?heng1

（1. Yunnan Astronomical Observatory， Chinese Academy of Sciences， Kunming 650011， China；

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： The rapid and steady control system of the 53 cm binocular laser ranging telescope is constructed to realize the tracking and measurement of fast space targets. The modularized control system of the telescope was designed， in which the closed?loops of current and velocity are achieved by the servo driver， and the composite PID algorithm and feedback of position are realized by the motion controller. The control case is integrated and the controller is embedded. The controller is arranged to take charge of the real?time motion control， while the task management and human?computer interaction are realized by the host computer. Additionally， the user?defined communication protocol is formulated to overcome the communication delay and low timing precision of VC++. The control strategies of the 2th position closed?loop and the mixture PID are proposed to improve the tracking precision of the telescope. Experimental results indicate that the telescope can satisfy the precision of 5″ at the uniform speed of 3（°）/s and in the tracking process of low orbit satellites. Meanwhile， it reaches the precision of arc?second scale in the tracking of medium and high orbit satellites. The telescope has been proved that it is able to realize the rapid and steady tracking of space targets which are beyond 400 km far from the ground station， and can satisfy the demand of the property index.

Keywords： control system； laser ranging； telescope； 2th position closed?loop； mixture PID

0 引 言

为了发展和拓宽空间目标监测的新技术方法和手段，中科院云南天文台新建一台53 cm收发分光路的双筒激光测距[1]望远镜，以解决现有的1.2 m收发共光路望远镜[2]中的单光子探测器（Single?Photon Detector）[3?4]易受强激光后向散射影响的问题，并可联合1.2 m望远镜实现空间目标的多角度多方位测量。此外53 cm激光发射望远镜可为1.2 m望远镜成像系统提供激光导引星[5]，可进一步提高空间暗弱目标的探测能力，而成像系统对空间目标的可视性，在很大程度上也能提高卫星激光测距（Satellite Laser Ranging）成功的概率。

卫星激光测距的原理是通过精确测定激光脉冲在地面观测站与卫星之间的往返时间间隔，从而算出地面观测站到卫星的距离。自1997年美国航空航天局的John J. Degnan提出高重复率的激光测距[6]，kHz卫星激光测距技术在近几年迅速发展起来，它通过高测距频率来增加观测数据以提高标准点精度。大型的激光测距望远镜是集光机电于一体的综合系统，伺服控制系统是其重要组成部分，直接影响了望远镜的跟踪精度、激光光束的指向和数据的测量采集。对于低轨卫星的跟踪，伺服系统应具有较好的快速响应能力；对于高轨卫星的跟踪，伺服系统则应具有较好的低速平稳性。而伺服控制系统涉及到电力电子技术、电机技术、控制技术、计算机技术、通信技术等多技术领域[7]。在驱动方式上，Keck，LAMOST等采用摩擦传动[8]，而VLT，Subaru等采用直接驱动[8]，国内大型望远镜一般采用控制简单、低速稳定性好的大功率直流力矩有刷电机。在主控单元的选择中，普遍会采用高速的DSP、FPGA、工控机或专用的运动控制器。集驱动、保护、功率转换拓扑的智能型功率模块纷纷涌现，特别是集成智能功率模块IPM逐渐成为了伺服驱动的优选方案。在望远镜的控制算法上，最普遍的是各种改进的PID算法，如变结构PID[9]、内模PID[10]等，还有速度滞后补偿、速度前馈、动态高型控制等都是常用的提高精度的方法[11]，另外模糊控制[12]、重复控制[13]、H～∞控制[14]和自抗扰控制[15]等也取得很好的控制效果。

云南天文台自主研制53 cm双筒kHz激光测距望远镜的控制系统，采用力矩电机直接驱动的方式，使用圆光栅编码器作为测量反馈元件，选用工控机和运动控制器为主控单元，应用位置二次闭环和带前馈补偿[16]等多种PID的控制算法，现已完成了控制系统的集成设计和控制软件的开发，并进行了基本的调试和测试工作。1 控制系统的总体方案

1.1 53 cm激光测距望远镜概述

53 cm kHz激光测距望远镜主要由机械系统、光学系统、检测系统、控制系统四大系统组成，总重约4 200 kg。该望远镜采用地平式结构，机械部分主要由激光发射望远镜主镜筒、激光接收望远镜主镜筒、中间连接块、高度轴系、方位轴系、方位底座和安全保护等组成。光学系统分激光发射光路和回波接收光路，发射光路采用反射式系统，激光经过二次扩束发射，接收光路采用RC系统，视场角0.5°，接收380～780 nm的光谱，通过半透半反分成两路：一路为接收终端，一路为监视终端。激光器采用Nd：YAG激光器，经单脉冲选择三级放大和晶体二次谐波倍频后产生532 nm的激光。

接收器件要求高灵敏度和尽可能小的电子渡越时间，本系统选用制冷单光子雪崩二极管（C?SPAD），它具有量子效率高、输出信号强等优点。为确保机架运行的安全性，轴系上设置了三重限位保护，分别为软件限位、电限位和机械限位，此三重限位依次顺序起作用。控制系统由力矩电机、伺服驱动器、运动控制器和工控机等组成。

1.2 技术指标

建立53 cm激光发射双筒望远镜的伺服控制系统，并与1.2 m望远镜联合实现具有跟踪测量快速空间目标能力的多功能同步观测系统。该伺服系统带有电流环、速度环和位置环的三环反馈，并采用CCD图像跟踪的光电闭环得到目标的实时脱靶量，以使该望远镜能快速高精度跟踪400 km以上的空间目标，跟踪精度需优于10″。根据400 km以上空间目标的运动特性，为该望远镜制定表1所示的指标。

表1 控制系统的精度指标

1.3 系统方案

图1为控制系统的结构框图。相比于摩擦传动，直接驱动具有高传动刚度、少摩擦、易安装调试和弱非线性特性等优点[17]。故53 cm双筒望远镜的方位轴和高度轴都采用直流力矩电机直接驱动的方式，解决了高低速比差问题，同时减少了机械传动系统造成的传动短周期误差，得到较好的跟踪平稳性。为满足测角分辨精度，测角元件使用了RENISHAW增量式编码器，直径为Φ255，分辨率为32.4″，经200倍频细分后分辨率可达0.162″，满足指向及电修正分辨精度。主控制器选用工控机和运动控制器，输出标准的-10～10 V的工业控制信号，通过伺服驱动器控制电机的转速和转向，来驱动望远镜在高度轴和方位轴上的运转。

图1 控制系统结构图

为达到精确稳定控制，引入三环反馈和CCD图像闭环[18?19]。位置反馈采用编码器读取位置值，速度反馈采用对位置信号差分的方法得到速度值，电流反馈采用电机内部的电流传感器自行完成。其中位置反馈为外反馈，进入运动控制器中运算，经过调节器输出速度给定，同时位置信息传送回工控机进行决策和显示，而速度反馈形成内反馈，与给定的速度值进行比较调节，输出调节电流。CCD图像闭环采用CCD对空间目标成像，送回工控机作图像识别与跟踪处理，实时计算目标脱靶量，并传送给控制系统，对望远镜进行跟踪指向修正。对于空间目标检测，考虑夜空背景和卫星的成像特性，先对数字图像滤波增强，提高目标与背景的对比度，再采用自适应局部阈值分割，检测出目标，然后计算目标的质心，并得出质心与视场中心的位置偏差。对于空间目标跟踪，既要保证目标检测与脱靶量传送的实时性，还要设计目标运动轨迹的预测算法对脱靶量进行滞后补偿。同时需提高算法的抗干扰性，以防止高频噪声和其他天体等因素的影响。

控制算法主要采用经典实用的PID控制。而在高速高精度的望远镜控制中，传统的PID具有非线性、时变不确定和控制精度有限等缺点，不能达到理想的控制效果，故考虑采用复合控制，即在闭环的基础上，引入一个输入信号或扰动信号的前馈通路，这既不影响系统的稳定性，还使系统近似等效为高阶无差系统，从而提高系统的跟踪精度。

同时本文还在复合PID的基础上应用多种PID，即混合PID算法，以进一步提高该控制系统的跟踪性能如图2所示。

图2 控制算法示意图

图2中[KP，KI，KD]分别为比例增益，积分增益和微分增益。[KVf]为速度前馈增益，对速度变化指令以较低的跟随误差给予较快响应，对系统稳定性不影响；[KA]为加速增益，用来降低高加速度运动时的速度过冲；[KV]为速度增益，对整体响应具有减震作用。

式（1）～式（5）在时域上描述了图2的算法过程，其中[Pd（t）]和[Pm（t）]分别为[t]时刻的给定位置和测量位置，[u（t）]为调节后的控制量。

[e（t）=Pd（t）-Pm（t）] （1）

[u1（t）=KPe（t）+KI0te（t）dt+KDde（t）dt] （2）

[u2（t）=KVfdPd（t）dt+KAd2Pd（t）dt2] （3）

[u3（t）=KVdPm（t）dt] （4）

[u（t）=u1（t）+u2（t）-u3（t）] （5）

2 控制系统的关键技术点

2.1 控制机箱的集成设计

系统集成（System Integration）是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理。系统集成实现的关键在于解决系统之间的互连和互操作性问题，它是一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构。

该望远镜的控制机箱主要集成了一台运动控制器、两台伺服驱动器、散热风扇等，同时提供了电机接口、编码器接口、串口、USB、限位信号、电源等外部接口，控制机箱的基本结构如图3所示。

图3 控制机箱框图

运动控制器采用Baldor的NextMove系列，它是一种用于伺服和步进电机的高性能多轴智能控制器。NextMove结构使用浮点数字信号处理器（DSP）技术加上一个现场可编程门阵列（FPGA）。FPGA负责处理通常为外部离散逻辑器件保留的功能，如输入/输出、编码器反馈等。伺服驱动器采用Xenus的XTL系列，根据电机型号选配不同带负载能力的驱动器。工控机通过USB 1.1与控制器通信，传送控制信号和数据信息，控制器输出工业标准的±10 V模拟控制信号给伺服驱动器，经过功率放大驱动电机运转。编码器读出头提供编码器信息给伺服驱动器，经过差分得到速度信息形成速度反馈。同时驱动器把位置和速度信息都传送给控制器，完成位置闭环和控制算法。另外电限位开关采用霍尔器件，通过霍尔信号读出电路输出一个脉冲信号到控制器的数字输入端口，以提供限位警报信号，并采取急刹车和反向运动的措施。

2.2 软件设计

运动控制器通过Mint语言实现运动控制。Mint是一种结构化的、基础的、根据用户需求定制的步进或伺服运动控制语言。Mint提供了ActiveX控件，它支持所有以Mint为基础的程序事件，还可访问控制器上所有运动控制和I/O功能，此外采用ActiveX控件开发的上位机软件可与运动控制器的Mint或嵌入的C语言程序同时运行。

53 cm双筒光电望远镜控制软件对伺服控制系统中各硬件设备进行管理控制，并在人机界面中显示其运行状态，保证各设备工作的稳定性和实时性，同时还可对控制系统内异常情况及时处理并报警。控制软件运行环境为Windows操作系统，采用的开发环境是Visual C++ 6.0。软件的主要功能包括卫星预报、实时控制和信息显示等功能，如图4所示。

图4 控制软件界面

卫星预报功能是根据卫星星历数据对当天经过测站上空的卫星进行总体预报，生成可观测卫星列表，以帮助观测人员合理规划卫星的观测计划，然后根据各卫星星历数据计算出各卫星在方位和高度上的预报位置，即望远镜跟踪引导数据。

实时控制功能是通过工控机与控制系统的数据交换，实时控制望远镜实现对卫星的跟踪测量。工控机将引导数据发送到控制系统，控制望远镜机架的运动；同时控制系统将编码器数据、硬件状态等信息发送给工控机。使用定时精度较高的多媒体定时器[20]作为软件内部的定时。通过多线程为不同任务分配合理的优先级，实现对资源的合理利用。

信息显示功能实现望远镜运行中信息的显示，利用GDI绘图，将编码器数值、预报数据曲线、传动误差曲线和各分系统状态等及时显示出来，反馈给观测人员，还对系统内的异常情况及时报警。

2.3 自定义通信协议

对于望远镜机架的运动控制，有两种方案：一种是通过计算机高级语言调用ActiveX控件实现运动控制，而运动控制器只需配置控制系统的参数；另一种是在运动控制器内直接进行嵌入式开发，计算机控制软件主要负责任务管理和传送引导数据。经过试验，运动控制器对高级语言控制指令响应较慢，实时性很难保证。故本文采用第二种方式实现望远镜机架的运动控制。上位机程序只需将方位轴和高度轴位置信息发送给控制器，而实时的运动控制由下位机实现。NextMove提供了一个专用的COMMS通信数组，通过读/写该存储单元来实现上位机和下位机的数据交换。计算机可调用ActiveX来实现对COMMS数组的读写操作。COMMS数组包含99个读写单元，其中前5个元素发生变化，会触发相应的COMMS事件，计算机或运动控制器中相应的程序能实时响应这些事件。制定上位机对下位机管理控制的通信协议如下：

（1） Comms（1） = 1，打开驱动器使能；

（2） Comms（1） = 2，打开驱动器使能并准备运动；

（3） Comms（1） = 3，运动停止；

（4） Comms（1） = 4，运动停止并关闭驱动器使能。

经试验，上位机以20 Hz或10 Hz的控制频率实时传送引导数据给运动控制器，运动控制器实时响应执行运动指令，实测的误差数据总存在一个固定偏差。本文采用预报数据超前载入和自内插的方案以克服通信延时带来的稳偏，并使用硬件自定时执行的方式以大幅度减小VC++定时精度不高所带来的随机误差，从而实现真正的实时精确控制。为此制定的引导数据通信协议如下：

（1） 预报位置传送到Comms的18～97单元中，共80个单元。方位轴用18～57单元，高度轴用58～97单元，如图5所示，两个预报位置间的间隔暂定为100 ms。

图5 引导数据通信协议示意图

（2） 98和99两个单元用来存储控制系统当前执行到第几组第几个单元的预报数据，以便工控机读取运行状态并执行校验工作。

（3） 跟踪过程中，判断时间，提前载入即将开始的A1和H1段的20组预报数据（2 s的预报数据）。

（4） 当运行到A1，H1段的第3个数据时，即第一段开始200 ms后，此时Comms（98）=20， Comms（99）=60，控制器置Comms（3）=2，触发上位机发送A2，H2段的20组数据。

（5） 当运行到A2，H2段的第3个数据时，即第二段开始2 s后，此时Comms（98）=40， Comms（99）=80，控制器置Comms（3）=1，触发上位机发送A1，H1段的20组数据。

（6） A1，H1段和A2，H2段轮流存储预报数据，由运动控制器执行基于加速度预测的内插算法，50 ms或100 ms一个控制量，并作实时的速度控制和调节。

（7） 在预报数据结束时，计算机发送结束指令，控制器清空数据，停止运动。

2.4 位置二次闭环与混合PID

该望远镜控制系统的位置环主要采用带前馈补偿的PID算法，速度环采用带滤波器的PI算法。由于机架是大惯量负载，在望远镜已运行到初始预报位置正在待命的情况下，突然起动会产生一个较大的滞后，而在卫星预报时刻已开始的情况下，望远镜以较大的速度运行到预报位置会产生一个较大的过冲。NextMove提供的位置运动指令有一个加减速的过程，为保证运动的流畅性，本文采取速度控制模式，并以理论位置与实际位置之差作为反馈量来实时调控运行速度，最终达到逼近理论位置的效果，本文暂称此方法为位置二次闭环。即在带前馈的PID的基础上，再添加一次位置闭环，以克服上述的滞后与过冲现象带来的累积误差。式（6）、式（7）是速度实时调整的基本表达式：

[Vk+1=Vk+1+α?ΔPk+β?j=1kΔPj] （6）

[ΔPk=Pt，k-Po，k] （7）

式中：[Vk+1]是[k+1]时刻的理论速度；[Vk+1]是修正后的给定速度；[Pt，k]是[k]时刻理论的位置；[Po，k]是[k]时刻实际观测的位置；[α]和[β]都为调节参数，应取值较小，尤其是[β]，过大会引起运动的振荡，具体应由多次的调试结果来确定。

实际应用中，本文采用混合PID的方式，即融合多种PID算法来保证望远镜运行的跟踪精度、快速性、稳定性和安全性，如变增益的PID、积分分离的PID、带死区的PID、带速度和加速度限幅的PID等。当卫星预报的起始时间未到，望远镜有足够的时间提前运行到起始位置；而当预报的起始时间已经开始，望远镜需要以较大的速度追及到理论的位置。那么[α]和[β]需要根据[ΔPk]的大小而自动调整，当[ΔPk]较大，[α]可取稍大一些，以加快收敛速度，[β]直接取0，以免超调量过大和系统的稳定裕度降低；当[ΔPk]较小，[α]可取稍小一些，以保证收敛精度，同时引入[β]，以便减小静差，进一步提高精度；当[ΔPk]小到一定程度，[α]和[β]可直接取0，设置一个死区，消除由于频繁动作所引起的大机械系统的振荡。同时望远镜的速度和加速度应作必要的限幅，以避免个别奇异数据点或者噪声对跟踪过程的过大影响，并确保运动的平稳性和安全性，以免飞车事故造成不可修复的破坏。具体的调节算法如下：

（1） 根据实际情况，确定误差阈值[E]和[e]；

（2） 当[ΔPk>E]时，[α=α1]，[β=0]；

（3） 当[e

（4） 当[ΔPk

（5） 作限幅处理：[Vk+1≤Vm]，[Vk+1-Vk≤amΔt]。

其中[E>e]，[α1>α2]，[Δt]为控制间隔，最大速度[Vm]和最大加速度[am]的取值决定于不同空间目标的运动参数，可根据卫星轨道预报数据事先获得，并随空间目标不同而不同。实际上控制系统由于自身机械特性等因素无法达到无差的理想状态，位置二次闭环和混合PID的控制策略不仅满足该望远镜跟踪空间目标的实际需求，还在一定程度上弥补了控制系统自身的不足。

3 测试实验与结果

3.1 系统调试曲线

本实验分别给出速度环和位置环最终的响应曲线。先不考虑位置环，直接在速度环施加一个幅度0.5 r/m的5 Hz脉冲信号，图6（a）和（b）分别为方位轴和高度轴的响应曲线。

由于方位轴承受着整个望远镜机架的重量，惯性力矩和摩擦力矩都较大，在5 Hz的脉冲信号下，很难做到快速响应，而高度轴的惯性力矩较小，其快速性较好。速度环的作用是调节望远镜的动态性能并抑制外界干扰从而保证望远镜运行的平滑性，因此在速度环的调节中，应尽量提高各轴系的快速性，同时确保速度响应曲线的平滑性，以避免电机振动。在位置环上，输入一个100线（16.2″）的阶跃信号，图6（c）和（d）分别是方位轴和高度轴的阶跃响应。

可见方位轴超调量约7%，上升时间约96 ms，调整时间较长；高度轴超调量约7%，上升时间约54 ms，调整时间较短。增加积分系数，会减小稳态误差，但也会增加上升时间，还会引起系统的不稳定，因此积分增益一般取较小。而合适的前馈量既能提高响应速度，又能减小稳态误差。实际调试中，阶跃响应曲线仅作参考，需根据实测跟随误差进行参数调整。

3.2 实测系统误差及比较实验

本实验分别测试了望远镜在3 （°）/s和0.05 （°）/s匀速下的系统跟随误差（Following Error）。图7可以看出，高度轴较方位轴的精度要高一些，这是由于两轴各自的机械特性所致。在3 （°）/s的较高速度下，高度轴误差在±2″之内，而方位轴大部分情况也能保持在±6″之内，基本能满足要求。由于直驱的方式和机架的刚性较好，在低速运行中，两轴都能达到较高的精度。

图7 系统跟随误差

系统跟随误差是系统计算位置设定值与实际位置值的偏差，反映了系统自身的性能，而跟踪误差在此可认为是预报数据的位置设定值与实际位置值的偏差，表明了实际的跟踪能力。本实验分别采用高轨激光测距卫星GLONASS?118（约19 140 km）和低轨激光测距卫星GRACE?B（485～500 km）的轨道信息作为引导数据，来验证望远镜的快速跟踪能力和低速平稳性，并比较了单一的复合PID和位置二次闭环（结合混合PID）的运行效果，图8截取了稳定跟踪并具有代表性的一段。图8（a）和（b）显示了GLONASS?118的跟踪误差，在单一的复合PID控制的情况下，跟踪误差会不断累积而增大；而在位置二次闭环与混合PID的共同作用下，两轴的跟踪误差分别始终保持在同一水平，其均方根明显优于1″。图8（c）和（d）显示了GRACE?B的跟踪误差，在130～220 s期间，GRACE?B经过天顶区域，方位轴存在急剧的加减速过程，其速度在167～183 s期间超过了3 （°）/s，故跟踪误差有一个较大的抖动。在单一的复合PID控制下，由于起动延迟或速度过冲，跟踪误差始终维持一定的偏差量（正或负）并此起彼伏。在位置二次闭环与混合PID的共同作用下，方位轴跟踪误差的均方根仍在2″以内，峰峰值为17.76″，其异常率（±5″以外）为3.9%，而高度轴误差均方根在1″以内，峰峰值为7.0″。

此外强电等外界干扰导致通信数据的误码、卫星预报数据出错或人为的失误，都会造成望远镜机架的剧烈运动，这一方面会导致跟踪误差急剧加大甚至目标丢失，另一方面会对望远镜造成一定程度的损害。

为进一步说明位置二次闭环与混合PID的实际作用，在中轨激光测距卫星LAGEOS?1（约5 850 km）的预报数据中人为添加一个0.5°的强扰动，即引导数据中存在一个奇异点。

如图9所示，改变[k]时刻的预报数据，会引起[k-1]，[k]和[k+1]时刻的抖动，可以看到：在单一的复合PID下，扰动严重影响了跟踪效果；在位置二次闭环与混合PID下，方位轴和高度轴分别在1 s和0.4 s之内重新回到±5″以内的误差范围，具有一定的自修正能力。

4 结 语

本文根据53 cm双筒激光测距望远镜的科学使命和技术指标，设计并实现了其控制系统。文中概述了系统的整体方案，包括结构组成、控制算法等，还论述了控制机箱的集成设计和软件实现。提出自定义的通信协议以优化望远镜的管理与控制过程，成功克服了通信延时与VC++定时精度不高的瓶颈，从而尽可能做到实时精确控制。提出位置二次闭环与混合PID的控制策略，大大减小了因起动滞后、高速过冲和干扰引起的累积误差，并兼顾了控制系统的快速性、稳定性和安全性，提高了望远镜实际的跟踪性能。

本文最后给出了控制系统速度环和位置环的调试曲线以及系统的跟随误差曲线，并对望远镜在卫星预报数据的引导下进行了跟踪误差的测量，还给出了单一的复合PID和位置二次闭环（结合混合PID）的比较实验。

图8 高低轨卫星跟踪误差比较

图9 强扰动下卫星LAGEOS?1跟踪误差

实验结果证明：在跟踪400 km以上的快速空间目标时，方位轴跟踪误差基本在±5″范围内，其误差均方根在2″以下，高度轴跟踪误差基本在±3″范围内，其误差均方根在1″以下；在跟踪中高轨等慢速空间目标时，方位轴和高度轴的跟踪精度（误差均方根）约在1″之内；该望远镜具有跟踪400 km以上空间目标的能力，同时具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。鉴于地平式望远镜在天顶区存在一个盲区，机架运行速度趋于无穷大，跟踪误差也随之急剧增大，在将来的工作中作者将研究合适的控制策略以减小该阶段的跟踪误差，同时将综合物理建模与系统辨识的方法对该控制系统进行建模仿真，对现有的控制算法作进一步的优化和改进，以获得更高的跟踪精度。

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