遥测系统

多路数据传输系统

遥测系统（telemetry system）是指具有对一定距离的被测对象的某些参数进行测量、传输和处理功能的系统，即是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的系统。

组成

如图1所示，遥测系统由输入设备、传输设备和处理设备三部分组成。其中.输入设备包括传感器和信号调节器;传输设备包括发送端的多路复用调制器、发射机、发射天线以及接收端的接收天线、接收机和多路复用解调器;处理设备包括记录与显示设备和数据处理计算机系统等。

工作原理

遥测系统的工作过程分为航天器上的发送端和地面的接收端两个部分。在发送端,首先由传感器将参数信号转换成弱电信号，再由信号调节器将其放大为适合采集的规范化电压信号，然后由多路信号调制器将多路已规范化的信号按一定体制组合形成适合单一信道传送的群信号去调制发射机的载波，最后调制后的信号经发射机功率放大后送发射天线发射到空间，具体如图1(a)所示。在接收端，信号经无线电链路传送到接收端后，首先由接收天线送入接收机进行载波解调得到群信号，再经多路复用解调器恢复出各路遥测信号送处理设备进行记录、显示和数据处理，具体如图1(b)所示。

多路传输技术又称多路复用技术，方法有频率划分法（简称频分）、时间划分法（简称时分）、编码划分法（简称码分）和空间划分法（简称空分）。实际的遥测系统都是把被控对象所在地选作发送端，测量站作为接收端，两者之间通过通信设备用信道连接起来（见图2）。发送端有传感、变换、采编、存储、记录重放和发送等设备。接收端有接收、解码、显示、记录和数据处理等设备。传感器用来将被测对象的参量信息变换成电信号或其他便于传输和使用的信号。变换器又称匹配器，它的主要作用是将传感器输出的信号变换成适合于多路传输的电信号，并有提高系统线性、进行温度补偿和实现数据压缩等功能。采编器又称编码器，它的作用是将各变换器输出的多路参量信息采集在一起，编辑成便于发送和接收的信号。为了在接收时能区分各路参量信息，可采用时分制、频分制或码分制。存储器用来将暂时不需要或不能传送的数据存储起来，留待适当的时机重放记录，发往测量站，或设法加以回收。遥测系统中最常用的存储器是磁带记录仪和数字磁带机。发送器又称发射机，它的作用是将编码器输出的信号进一步变换成适合于长途传输的电信号。

分类

按照传输信号类型的不同，遥测系统可分为模拟遥测系统和数字遥测系统。模拟遥测系统所传输的信号为模拟信号，因此，当遥测参数中有数字参量时,不需对其进行变换，仅将其视为模拟参量传输即可。当遥测信号有模拟信号时，数字遥测系统需要先将模拟信号采样编码变为数字信号后方能传输。

按照信道多路复用方式或者信号分割参量方式不同，遥测系统可分为频分制、时分制和包分制。其中，频分制和时分制历史悠久和应用广泛；包分制作为一种新的遥测方式,近年来逐步被采用。

频分制记将各路信号调制到不同频率的副载波上，分割的参量是信号的频率。为防止混叠，各副载波的频率间隔应取得足够大。采用频分制时，首先使用多路副载波调制器对信号进行调制，然后再用相加器将其合成为群信号;在接收端，先用一组带通滤波器将群信号分拆为多个调制信号，再用相应的副载波解调器对各个信号进行解调，在频分制遥测系统中，多路复用调制器为各路副载波调制器及接于其后的相加器，多路信号解调器为各路的分路带通滤波器及副载波解调器。频分制的优点是设备简单，但容量小，精度低，抗干扰能力差，适用于测试参数较少(少于30个)的应用场合。

时分制是将各路信号安排在不同的时间段，按一定的时间顺序依次传输，分割的参量是信号占用的时间。其原理是通过对信号进行采样，产生在时间上互不重叠的多路信号采样点序列以便通过单个公用的信道传输信号。信号采样的基本要求是满足采样定理。时分制的基带信号是脉冲信号，按调制方式不同可分为脉冲幅度调制(PAM)、脉冲宽度调制(PDM)、脉冲位置调制(PPM)和脉冲编码调制(PCM)。其中，PAM是共用的基础。当需要进行PDM、PPM和PCM时，首先需要将信号进行PAM，然后再将得到的PAM序列送相应的调制器进行调制。PAM的本质是对多路信号的同步采样，多路复用调制器的功能相当于数据采集系统中的多路隔离开关和采样保持器。PCM是应用最为广泛的遥测系统，其编码过程类似于A/D转换器的功能。经时分制变换得到的信号传输时仍需经载波调制。时分制的优点是容量大、精度高和抗干扰能力强。虽然其设备相对较为复杂，但设计时因可选用许多采样器和A/D转换器等专用集成芯片而变得相对简单，因此，应用于航天器的遥测系统多为时分制的数字系统。

包分制，也称为分包遥测，是依据开放系统互连模型(OSI)开发出来的，以分包的方式进行数据的分层动态管理。与PCM遥测等端对端数字遥测系统相比，分包遥测最显著的特点是多信源和多用户的开放性。因此，分包遥测需要通过复杂的流控制过程解决如何把不同长度、不同速率、不同地址(源端和终端)和不同传输要求的数据组织在一起并实现传输后的正确分离问题。分包遥测过程可分为包装、分段和传送3个层次功能。包装是将需要传送的遥测应用数据分包成若干个标准数据单元(称为遥测源包)。遥测源包是由应用数据加上包头制成的。包头的作用在于识别不同的应用过程和标明同一应用过程包序列中的相对位置以及其他勤务信息。分段是将过长的遥测源包分成若干段，并在每段前面加上段头构成遥测段。同样，段头的作用也是用于识别该段。传送是将遥测源包或者由经过分段后形成的遥测段加上帧头构成遥测帧，也是分包遥测面向传输过程的关键环节。帧头除了提供识别帧功能外，还具有提供虚拟信道的功能。所谓虚拟信道，是一种使多信源、多用户分享同一物理信道的传输控制机制。传送层通过统一分配传送帧头的虚拟信道识别码，使不同用户应用数据分时交替占有物理通道，从而解决长数据源垄断信道问题。经分层处理后的遥测帧还需通过信道编码进行纠错编码处理后方能调制发送，遥测中采用的信道编码方案是R—S码为外码、卷积码为内码的级连码。与网络系统协议类似，分包遥测的基本思路是分层和标准数据单元，要处理的核心问题是多信源多用户的识别和组织方法、有效利用信道能力的源控制、层间传送和信道传送的差错控制以及必要的操作业务。

应用举例

例如可用编码器输出的基带电信号来调制载波，由发射机用有线或无线的方式传输到接收端。接收器又称接收机，用来将收到的电信号进行放大、变频和检波，变成基带信号，送到解码器。解码器又称译码器，它的作用是将接收到的信号分路，并将其变换成适合于显示器、记录仪和信息处理设备利用的模拟信号或数字信号。接收机有时附有译码器。记录仪用来记录遥测参量，以便长期保存，或供信息处理设备作事后处理之用。显示器用来实时显示遥测参量，供测量和指挥人员监视被控对象，及时作出判断。遥测系统中常用CRT显示器或再配上静电打印机。一般还用微型计算机或微处理机作数据处理设备，自动进行数据的取舍、校验、误差分析、内插、外推、平滑、变换和压缩等工作，以获得被控对象的参量值。在遥测系统中数传电台是常用的一种数据链路。

主要作用

遥测系统应用广泛，在此仅以航空航天为例，介绍遥测系统的作用。

火箭上的遥测系统是火箭和航天器的重要组成部分。火箭在技术区和发射区的测试工作中，遥测系统就参与火箭发射前的测试工作。其中的测试，既是对遥测系统本身的测试，也是对全火箭各分系统与遥测有关的部位工作状况的测试。这种测试对提高火箭发射的可靠性和飞行的可靠性起重要作用。在遥测系统检测过程中采用自动化程序，从而保证发射的安全可靠性。

在火箭的发射过程中更需要依靠遥测信息来判断火箭、卫星、飞船的工作状态，并成为天上与地面一道沟通的桥梁。概括起来，遥测系统的作用如下。

(1) 在火箭发射前的测试准备工作过程中，遥测系统提供了解火箭各系统技术状况的重要依据。

(2) 获得火箭飞行中的各种数据。对其中与飞行成败有关的重要信息和数据，需立即处理出来，并进行显示，如发动机关机信号、级间分离信号等。大量的数据处理和分析工作在发射以后进行。

(3) 为故障分析提供依据。尤其在研制初期，一旦发生故障，必须借助这些数据分析并查明故障的部位及其起因，以便采取补救措施。

(4) 测定火箭、航天器的环境参数和航天员的生理医学数据。这些数据包括振动、冲击、加速度、温度、舱内气体参数、各种辐射、热流等。这些参数对于检验火箭各系统及航天员生命维持系统对环境的适应能力，检査各种防护措施的有效性，制定规范化的环境条件，都是极为重要的。

(5) 遥测系统将提供火箭、航天器接收和执行地面控制指令的情况。

发射场的遥测地面接收设备有固定站式和车载式两种。车载式接收设备可用于活动测量站，可以实现对部分重要测量参数的实时数据处理和显示，并可实时为指挥控制人员提供火箭工作情况。

常见故障

在微机远动设备上的遥测系统中经常出现的故障有：数据失灵死机和大批坏数据。数据失灵死机是遥测数据在主站端反映为固定死数据，图形为一条直线，这种故障一般与出现大批坏数据的故障原因类似，主要是由于被测线路出现谐波和尖峰性的瞬时不稳定或干扰电压、电流，冲击到测量电路的正常运行，导致测量电路及处理程序出现混乱引起死机，如果干扰没有达到引起死机的最坏的情况，所采集数据中就会出现大量的绝对值极大的数据，也就是出现极大和极小值。导致遥测数据无法使用。往往这样的瞬态冲击程度差别大、不具有持久性，所以根据设备使用的年限及设备耐冲击状况，则表现不同情况：①瞬间出现大量超出正常范围的数据，后恢复正常；②长时间出现坏数据；③死机。

第一种情况在设备状况正常下，通过自身的冗余设计，可以自己完全恢复，一般维护人员只有在检査数据时才可以发现，并根据坏数据的量，判断出设备状况。

第二、三种情况当长时间出现坏数据时，就要对设备提高警惕，考虑是否硬件出现损坏。

发展趋势

遥测系统与计算机技术相结合，实现了软件与硬件的标准化、模块化和全系统自动化管理；单数据流码速率达到2 Mbit/s或更高；遥测的副载波、码速率、帧格式等均实现了可编程；遥测参数可全部实时存储，部分参数可实时处理显示；记录采用了符合国际标准的倍密度磁记录器、8 mm数字磁记录器和磁光盘。未来遥测系统有以下几个方面的发展趋势。

(1) 遥测系统的标准化、系列化、模块化及小型化。遥测系统在射频频段、传输体制、码型、多路信号格式、记录等主要参数上符合国际标准和国军标，设备单元的通用性和可维修性更强，布站更加灵活。

(2) 遥测软件工程化。随着计算机技术的迅猛发展，软件在遥测系统中的地位越来越重要，从参数的可编程设置、存储、显示、预处理到设备的智能化控制管理和测试等均依靠软件完成，可重组技术甚至在一套硬件加载就可实现功能和协议的编程。所以，系统运行的效率很大程度上取决于软件的能力，而软件在系统研制过程中又是一个复杂的工作，只有实现软件工程化才能有效提高遥测设备的灵活性、可操作性和可靠性。

(3) 遥测标准与国际接轨。遥测标准的制定与实施是反映遥测技术发展的重要标志。空间数据系统咨询委员会(CCSDS)组织制定的技术标准——的CCSDS标准在我国遥测领域基本上尚未使用，为了尽快与国际接轨，开发推广CCSDS标准势在必行。CCSDS 分包遥测技术、信道编解码技术是CCSDS标准的关键技术，研制符合CCSDS标准的通用系列化遥测产品成为必然。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省

云南省