“嫦娥”的遥控系统

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  2007年10月24日下午6时5分,我国第一颗探月卫星“嫦娥一号”成功发射,整个奔月过程中。“嫦娥一号”飞行了1.0x106km,用时114h绕月飞行一年后。“嫦娥一号”成功撞向月球,在整个探月过程中,“嫦娥一号”受到地面科技人员的精心呵护,就是说,人们每时每刻都在遥控着“嫦娥”,遥控技术是不是非常复杂、非常神秘呢?是,也不是,让我们先从身边的遥控谈起吧。
  
  我们身边的遥控技术
  
  提起遥控,我们都不陌生,如在我们家庭中使用的各种遥控器,使我们可以非常方便地转换电视频道或空调的温度。
  家庭使用的大都是红外线遥控器。它是由一个小巧的电子调制器、红外线发射管和电池构成的,红外线发射管可以发射出一定波长的红外线光束。而调制器能把控制开关的低频信号“载”在红外线上,在一定距离内(一般是10m以内),由电器中红外线遥控接收器感知,红外线遥控接收器主要由接收管、抗干扰电路、解调器、开关控制器组成,根据红外线“载”的信号控制不同的频道。
  飞机和航天器使用是精密无线电遥控技术,但与我们熟悉的“红外遥控”原理基本上是一致的,要知道,无线电波、红外线和可见光都是电磁波的一部分。
  那么无线电波是什么呢?
  无线电波是指在自由空间(包括空气和真空)传播的射频频段的电磁波,在我们周围充满着无线电波,我们平时听的广播,看的电视,用的手机都要利用无线电波来传播,你看,一个小小的手机就能够同时发射和接收无线电波,给我们的生活带来了极大方便。
  
  无线电波一路遥控“嫦蛾”
  
  航天器广泛使用了精密无线电遥控技术,什么是无线电遥控呢?它是利用无线电信号对远方的设备进行控制的技术,这些信号被远方的接收设备接收后,可以驱动各种相应的机械,去完成各种操作,如闭合电路、移动手柄、开动电机……
  无线电遥控使用非常严格,由于它在控制船舶、飞机、导弹等海空行体的应用上极为广泛,因此各个控制的信号频率都彼此不同,防止互相干扰发生意外。
  航天器在轨道上正常工作时,必须不断将有关信息向地面报告,所以航天器必须有一套精密的传感器技术设备,要有“人工智能”,具备视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉,科学家成功地研制出各种传感器,能将外界各种刺激变成电信号,使得无人驾驶的航天器可以随时随地将航天有关信息,如飞向方向、速度、温度、震动等。不断传回地面控制中心,航天器还必须载有接收测控设备指令的设备,灵敏度也必须很高,可以与地面控制中心互动。
  我们知道,航天器飞行速度极快,运动路线复杂。经常飞行到地球的另一面,单靠一个固定的指挥中心是不行的,还必须在地面建立一个测控(包括通信)系统,地面测控系统由分布在全球各地的测控台、站及测量船组成,这些台、站和船上通常配备有一系列精密仪器,如跟踪雷达、光学跟踪望远镜、多普勒测速仪、遥测解调器、遥控发射机、电子计算机、通信设备等,对航天器进行遥测、遥控、跟踪和通信。
  
  “嫦娥”在遥控中完美奔月
  
  你知道吗。为了“嫦娥一号”能在遥控中完美奔月,地面控制中心解决了很多复杂的难题,“嫦娥一号”距离地球3.8x105km,而过去我国发射的卫星距离地面一般都在3×104km,指挥发射信号到达“嫦娥一号”时会非常微弱,必须加大发射功率和接收信号的灵敏度。
  其次,“嫦娥一号”奔月速度极快,接近第二宇宙速度(11.2km/s),在指挥信号通信中,有一种“多普勒现象”必须考虑,多普勒现象是指当波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的波频会改变,就是频率偏移。
  在航天器的移动通信中,多普勒现象的影响极其明显,因为无线电波的发射源和接收器之间的相对速度极快。这些频率偏移的变化非同小可!所以在航天器移动通信中,必须充分考虑多普勒现象的负面影响,为了避免这种影响造成通信中的问题,我们不得不在技术上加以各种考虑,也加大了移动通信的复杂性。
  除了以上的考验,“嫦娥一号”还必须接受一项全新的挑战——“日凌”现象,什么是“日凌”现象呢?是指太阳、“嫦娥一号”和地面站的接收天线恰巧在一条直线上,这时太阳产生的强大电磁波将严重干扰地面站的天线接收卫星信号,甚至造成通信完全中断,一般航天器都要尽量避开太阳发射的电磁波,可是月球在不断运动,“嫦娥一号”的目标是月球,会不可避免地运动到太阳方向。
  科学家针对“嫦娥一号”探月出现“日凌”的情况,提前把一些需要执行的指令注入到“嫦娥一号”的电脑中,即使通信暂时完全中断,“嫦娥一号”也能按照预先设置的指令正常工作,保证了“嫦娥一号”的安全,我国还启用了技术更新、功能更强大的大天线,有效防范了“日凌”对“嫦娥一号”的通信干扰,事实证明,“嫦娥一号”经受了“日凌”的严峻考验,顺利完成了它的探月使命。
  
  小贴士
  
  多普勒现象:你可能发现,当飞驰的火车接近我们时,其汽笛的轰鸣声会非常尖锐刺耳;而当火车离开我们时。汽笛的轰鸣声会一下子低沉下去,汽笛轰鸣声的音调变化是非常明显的,这种由于声源运动而引起音调变化的现象,在物理学中叫做多普勒现象(多普勒效应)。
  
  责住编辑 程 哲
  
  心 语
  
  人生犹如一本书。愚蠢者草草翻过,聪明人细细阅读。
  ——河南省洛阳市东方二中 杜家琦
  没有比脚更长的路,没有比人更高的山。
  ——河南省漯河市第三中学 周鑫峰
  快乐乃做人之本,学习乃成人之道。
  ——河北省承德市帝贤中学 杨秋伟
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