時間：2023-09-20 16:02:51
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8月13日，美國總統(tǒng)競選人羅姆尼在佛羅里達州進行演講時嘲諷說，美國的火星探測器剛登陸火星，希望計劃登月的中國人好好看看“我們43年前就插在那里的美國國旗”。“中國航天企業(yè)如果真的像專家說的那么樣有底氣，為什么不馬上派航天員去那兒？”這或許是美國私人航天公司SpaceX成功發(fā)射“龍”飛船以來，最直接刺痛中國航天的評價。 6月16日，神舟九號飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心等待發(fā)射升空。
“‘龍’飛船的成功對中國的航天部門確實有一定的沖擊，但絕不能說是美國航天商業(yè)公司打敗中國航天的‘舉國體制’?！焙教鞂＜引嬛普J(rèn)為，完全把中美航天發(fā)展差距歸因于體制問題有些言過其實。
“龍”飛船如何煉成
盡管只是一次測試飛行，“龍”飛船成功后各方不吝溢美之詞，被稱為終結(jié)“政府航天史”的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）成為繼美國、歐盟、日本、俄羅斯與中國之后，第六個擁有與國際太空站對接能力的實體。
Spacex創(chuàng)建于2002年，創(chuàng)始人穆斯克（Elon Musk）走的是典型美國創(chuàng)業(yè)者路線：進入斯坦福大學(xué)攻讀學(xué)位的第二天就退學(xué)，然后創(chuàng)立了網(wǎng)絡(luò)支付公司貝寶（Paypal），成為億萬富翁后轉(zhuǎn)而投向私營航天事業(yè)。該公司發(fā)展速度之快令人瞠目。2005年，美國國家航空航天局（NASA）邀請民間企業(yè)投標(biāo)為NASA的“商用軌道運輸服務(wù)”提供解決方案，SpaceX公司攜“龍”飛船參與了競標(biāo)，此時公司員工僅有160人。2006年，它擊敗了其他競爭對手獲得NASA認(rèn)可，如今員工已超過1000人。2010年6月，SpaceX獲得了最大的一筆商業(yè)合同，欲使用數(shù)枚“獵鷹9號”火箭發(fā)射下一代銥星，總價值達4.92億美元。
SpaceX成本控制上的成功給許多航天大國帶來沖擊。據(jù)悉，“獵鷹9號”火箭研發(fā)費用約為3億美元（約合19億人民幣），比美國政府航天部門研制的與中國長城公司競爭商業(yè)發(fā)射市場的低成本EELV火箭及歐洲宇航局的“阿里安-15”火箭的成本低成了不止一個數(shù)量級。要知道，中國的神舟飛船花費約30億人民幣，日本的HTV貨運飛船花費為8.5億美元，歐洲的ATV貨運飛船研制則花費約19億美元。
不過在國內(nèi)一些航天專家眼中，低成本的SpaceX并不一定能贏得市場的認(rèn)可。有專家表示，畢竟航天業(yè)風(fēng)險極高，必須有一個可靠準(zhǔn)確的發(fā)射體系。“中國也是經(jīng)過上世紀(jì)90年代才總結(jié)出一套標(biāo)準(zhǔn)體系，從而使航天發(fā)射的可靠性大幅度提高，也基本杜絕了以前的一些火箭故障?！?/p>
“發(fā)射成本并不是越低越好，航天發(fā)射追求的是高可靠性和萬無一失。”北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新向《鳳凰周刊》記者舉例道，1990年日本圖便宜選擇歐洲阿里安運載火箭發(fā)射兩顆衛(wèi)星，起飛1分40秒后便發(fā)生爆炸?！氨M管經(jīng)濟損失由保險公司支付，但衛(wèi)星工作卻中斷了，這項損失不比直接經(jīng)濟損失小。” “企業(yè)”號航天飛機，又譯“進取”號航天飛機，是美國航天飛機計劃中的第一架原型機。2011年，美國航天局將其從航天飛機機隊退役，集中精力發(fā)展可超越近地軌道的下一代太空飛船。
在焦維新看來，美國的自由企業(yè)制度、成熟的商業(yè)運作、精細(xì)的項目管理、技術(shù)積累和人才儲備使得SpaceX得以成功。同時，這與美國發(fā)達的航天工業(yè)基礎(chǔ)密不可分?！安粏螁问琴Y金實力，政府對它的支持也很重要”。
雖然號稱私營公司，但“龍”飛船在研發(fā)過程中實際上一直與美國宇航局（NASA）密切合作。基于美國政府不斷地向民間提供新的機會、培育來自民間的力量，才使得SpaceX成為后起之秀。作為NASA“商用軌道運輸服務(wù)”項目中的一部分，“龍”飛船主要用于向國際空間站運送人員和物資，使用“獵鷹-9”火箭進行發(fā)射也是NASA的決定。
中國航天難以復(fù)制美國模式
然而，盡管SpaceX的典范作用對中國產(chǎn)生了啟示效應(yīng)，這種模式卻很難復(fù)制。在中國，圍繞運載工具、各類航天器及載人航天的系統(tǒng)都分屬于國有企業(yè)，且均經(jīng)過成功發(fā)射的測試，形成了一整套嚴(yán)密的技術(shù)操作規(guī)范。即便在美國，發(fā)射系統(tǒng)中的發(fā)射場、測控等也掌握在政府手中。
“一次發(fā)射成功不能說成功率為100%，但一旦失敗則意味歸零。”焦維新對此解釋道，“龍”飛船的測試飛行成功，并不代表其可靠性和成功率達到了商業(yè)發(fā)射的規(guī)范要求。在航天領(lǐng)域，發(fā)射成功率建立在成功發(fā)射次數(shù)之上。
據(jù)焦維新介紹，中國航天發(fā)展近60年，自有體系培養(yǎng)的第三代航天梯隊才逐漸成形。通過梳理中國航天發(fā)展的脈絡(luò)后會發(fā)現(xiàn)，中國與美國在航天領(lǐng)域的差距仍然很大，中國尚不具備采用美國模式的條件。
早期的中國航天復(fù)制了蘇聯(lián)的航天體制，凸顯國家政治、外交需要，提升軍事實力被擺在首位。這與美國成熟的自由經(jīng)濟、商業(yè)社會的模式大為不同。1956年是中國航天事業(yè)的發(fā)展元年，當(dāng)年10月8日，專事航天的國防部第五研究院成立，專門負(fù)責(zé)導(dǎo)彈研制，隸屬于軍隊系統(tǒng)。1965年，中國對航天部門進行調(diào)整，實行軍民分立，航天不再納入軍隊系統(tǒng)占用軍費。進入1980年代，基于與國際接軌和市場經(jīng)濟的要求，專事航天的部門歷經(jīng)航天工業(yè)部、航空航天工業(yè)部、中國航天工業(yè)總公司和國家航天局的改組，中國航天工業(yè)總公司也拆分成中國航天科技和中國航天科工兩大集團公司。前者主要提供大型運載火箭’飛船、衛(wèi)星等產(chǎn)品和服務(wù)的企業(yè)，后者則專事航天軍事應(yīng)用。
歷經(jīng)數(shù)次改組變遷，中國航天現(xiàn)行體制與當(dāng)年的國防部第五研究院相去甚遠(yuǎn)，形成了軍民并立的分散格局。在市場化高度發(fā)達的今天，中國航天體制的弊端開始顯現(xiàn)出來。據(jù)悉，目前國內(nèi)涉及航天事務(wù)卻又彼此沒有清晰隸屬關(guān)系的單位有數(shù)家，比如工信部國防科工局與國家航天局并不是中國航天工程的實際領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)，與NASA統(tǒng)帥的美國航天業(yè)大為不同。
權(quán)力分散帶來的官僚作風(fēng)日益彌漫。有關(guān)專家透露，即使是一幅高清晰新聞圖片的使用都要經(jīng)過層層把關(guān)審批。在相關(guān)部門看來，一張航天科技需要公開的圖片可能含發(fā)射場地形地貌，則被要求不得。“出了事誰負(fù)責(zé)”成為當(dāng)事人推諉時最常說的話。
軍民并立看上去解決了民用航天對經(jīng)濟的拉動作用，但在中國航天領(lǐng)域，軍民各自形成了一套比較封閉的體系，相互協(xié)作也只能由強大行政建立起的“舉國體制”推動和協(xié)調(diào)。此外，由于中國航天業(yè)一向保密嚴(yán)苛，直至今日，絕大多數(shù)民眾仍分不清“航空”與“航天”，也搞不明白航天用數(shù)字編列的院所作用何在。當(dāng)每次航天發(fā)射成功后舉國歡呼之時，民眾仍不清楚航天究竟為自己帶來了什么。而外界則一直對中國航天不透明亦心存疑慮。
此外，飽受詬病的航天“雙軌制”依然改善不大。始于1990年代的“民”并沒有帶來航天技術(shù)的根本性轉(zhuǎn)變。與美國阿波羅登月計劃投入產(chǎn)出相比，中國航天產(chǎn)業(yè)收入僅占全球航天業(yè)收入的3%。長期受體制限制的中國航天目前僅處于產(chǎn)業(yè)化階段，遠(yuǎn)談不上商業(yè)化。比如衛(wèi)星研制、發(fā)射，囿于多種原因，幾乎全部靠國家投入，社會資本極少介入?！霸邢愀圪Y本希望介入，但遭遇政策障礙無功而返。”一位航天業(yè)人士私下表示。
從“神一”到“神七”，目前已有2000多項航天技術(shù)成果運用到國民經(jīng)濟領(lǐng)域，民用航天產(chǎn)值已占到航天總產(chǎn)值半壁江山，投入產(chǎn)出比也達1：10。但從實際情況看，航天技術(shù)民用化仍停留在“冠名”階段。2007年成為“中國航天事業(yè)合作伙伴”的廣東萬和燃?xì)鉄崴鲗教炱焚|(zhì)管理系統(tǒng)贊賞有加，一直期待從火箭點火系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化能用的燃燒和節(jié)能技術(shù)，結(jié)果最后得到的幾乎是可以對外公開的技術(shù)。“技術(shù)轉(zhuǎn)讓費用太高，不是一家民營企業(yè)可以承受的?！比f和的負(fù)責(zé)人事后抱怨道。
參與“北斗”衛(wèi)星商用的民營企業(yè)亦陷入窘境，保密政策過于嚴(yán)格令參與運營的民營企業(yè)頭疼不已。幾乎所有涉足“北斗”系統(tǒng)的民營企業(yè)，在經(jīng)過漫長的保密審查后才能獲得一塊“國家二級保密單位”的牌子，這也成為制約北斗產(chǎn)業(yè)規(guī)模的一大問題。
Chris McKay (Astrobiologist): We can restore habitable conditions to Mars. The fact that we can, to me, opens up the question: should we? What we do will, I think, set the pattern[模式] that will reflect on[反映] us as a species[物種] for the rest of time. Mars will be where we set the precedent[先例], and that’s why I think it’s very important that we do it carefully.
There’s no sign of life on Mars today and every reason to believe that it can’t exist on the surface. The lack of water and shelter[遮擋] from radiation[輻射] guarantee[保證] that. But there could be ancient microbes[微生物] frozen in the ground needing only warmer temperatures to wake up. If so, they could answer the biggest question in space science: Has life originated[起源] more than once in the universe?
Mars and Earth have been swapping[交換] rocks for billions of years. What’s knocked off one planet by an asteroid[小行星] strike[攻擊] often lands on the other, and it’s not inconceivable[不能想像的] that microbes have sometimes gone along for the ride. So life on Earth may have come from Mars or vice versa[反之亦然], which would be interesting but tell us nothing about whether life originated anywhere else.
But, if Martian life turned out to be unrelated, a separate origin just one planet away in our own solar system, that would suggest that life crops up[突然出現(xiàn)] wherever the conditions are right, and a universe with billions of galaxies and trillions of stars could be teeming[大量出現(xiàn)] with life. It might also mean that life from Earth could be a threat to Martian life.
So how should terraformers[將（另一行星）改造成地球般的人] treat the natives, if there are any?
McKay: It would be best to try to answer that before we started warming up Mars, because what we do depends on the answer to that question. If we find that Mars has life that’s the same as Earth’s, then it doesn’t matter and we move down the path of sharing life from Earth with Mars. But if we find that Mars does have life and that life is a separate independent origin of life, then we do things completely differently, in my view.
In that case, McKay thinks we should sterilize[殺菌] all of our old space junk left over from previous[早先的] missions. Even hundreds of years later, it could still be contaminated[污染] with bacteria[細(xì)菌] from Earth, and then we should leave Mars to the Martians. McKay: I would say our responsibility[責(zé)任] is to encourage that life to flourish[茂盛] and thrive[茁壯成長]. Diversity[多樣性] in life across planets is a good thing, and we would learn an enormous[巨大的] amount about how another biosphere[生物圈] based on that life might work, and that knowledge could revolutionize[使徹底變革] our understanding of fields like medicine and agriculture, as well as helping us understand the Earth by having a comparison biosphere.
But not everyone would go along with[贊同] that approach, especially after going to the trouble of making Mars habitable.
Robert Zubrin (President, Mars Society): I don’t agree that that is a rational[理性的], ethical[合乎道德的] position. The ethics[道德，倫理] need to be based on what is good for people, not what is good for bacteria. This idea of depriving[剝奪] humanity of a fully living world, not just for humans but for a wonderful ecosystem of plants and animals and birds and fishes and all of this in order to preserve this place for bacteria, is lunacy[精神失常].
The alternative[另一可選擇的], though, is to play the role of the ruthless[無情的] invader from another planet.
David Grinspoon (Astrobiologist): You think of The War of the Worlds注 kind of scenarios[情節(jié)] and all these creepy science fiction stories about aliens coming and saying, “Wow, we want your planet. We’re gonna kill you.”You know, we think of that as evil. I mean that’s just not being a good neighbor. But I’m fairly convinced that we won’t have this problem because I don’t think there is life on Mars.
在不久的將來，人類的科技產(chǎn)物也許能把火星從一個寒冷的紅色沙漠變成一個適宜居住的星球。然而，引入生命并讓火星披上綠色，將帶來一系列我們從未遇過的問題?？死锼埂渼P(天體生物學(xué)家)：我們能夠讓火星恢復(fù)宜居的環(huán)境。然而對我來說，我們能夠這樣做這一事實會引發(fā)一個問題：我們是否應(yīng)該這么做？我想，我們的所作所為將為今后樹立一個范例，反映出我們是一個怎樣的物種?；鹦菍⒊蔀槲覀兊南壤３鲇谶@個原因，我認(rèn)為我們應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎行事，這一點非常重要。
目前火星上沒有任何生命跡象，而且完全有理由相信生命不可能存在于火星表面?；鹦潜砻嫒狈λ矝]有可以抵擋輻射的防護層——這些條件確保了這一點。然而，地表之下可能凍結(jié)著一些遠(yuǎn)古微生物，也許只需要溫度升高即可復(fù)蘇。若是如此，它們便能回答宇宙學(xué)上最大的疑問：在宇宙中，生命起源是否不止一個？
幾十億年來，火星與地球一直在互相交換巖塊。由于受到小行星撞擊而脫離其中一顆行星的物體，常常會降落到另一顆行星上。偶有微生物搭上這趟順風(fēng)車也不足為奇。因此，地球上的生命有可能來自火星，反之亦然。盡管這一點很有趣，但它仍然無法告訴我們生命是否起源于其他地方。
不過，假如火星生命最終被證實是獨立體系——在我們的太陽系中，與我們的地球僅僅一星之隔的這個行星，有著自己的生命起源，那便意味著只要條件適宜，生命就會萌芽；在一個擁有數(shù)十億星系和數(shù)萬億顆恒星的宇宙當(dāng)中，生命可能隨處可見。這也可能意味著，源于地球的生命可能會對火星生命構(gòu)成威脅。
那么，假如真有火星生物的話，想把火星改造成地球的人又該如何對待它們呢？
麥凱：讓火星變暖之前，我們最好先試著回答這個問題。因為我們要怎樣做，取決于我們對這個問題的回答。假如我們發(fā)現(xiàn)火星上有和地球上一樣的生命，這個問題便無關(guān)緊要了，我們可以一路走下去，與火星共享來自地球的生命。但如果火星上確實存在生命，并且有其獨立生命起源，那么依我看來，我們要做的事情將截然不同。
麥凱認(rèn)為，在這種情況下，我們應(yīng)該對以往任務(wù)中遺留下來的所有太空垃圾進行消毒殺菌。即使數(shù)百年后，火星仍有可能被來自地球的細(xì)菌污染。然后，我們應(yīng)該把火星留給火星人。
麥凱：我認(rèn)為我們的責(zé)任是促進火星上的生命繁榮發(fā)展。各個行星的生命多樣性是一件好事；我們可以了解很多，認(rèn)識到以該生命為基礎(chǔ)的另一個生物圈是如何運作的，而這種知識或?qū)㈩嵏参覀儗χT如醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的理解；因為我們有了一個可供對比的生物圈，這會幫助我們更好地認(rèn)識地球。
然而，并非所有人都贊同這種做法，尤其是在不辭勞苦地把火星改造成宜居地之后。
羅伯特·祖布林(火星協(xié)會主席)：我不認(rèn)為那是一種理性的、合乎道德的見解。道德的標(biāo)準(zhǔn)要以什么對人們有益——而不是什么對細(xì)菌有益為基礎(chǔ)。為了將這個地方留給細(xì)菌，而從人類手中——不僅是從人類手中，也是從一個包含動物、植物、鳥類、魚類等各種生物構(gòu)成的奇妙生態(tài)系統(tǒng)手中——奪走一個活生生的世界，這種想法簡直是發(fā)瘋。
然而，除此以外我們還有另一種選擇，就是扮演來自另一個星球的無情入侵者。
戴維·格林斯普(天體生物學(xué)家)：你會聯(lián)想到《世界大戰(zhàn)》那樣的劇情，以及所有令人毛骨悚然的關(guān)于外星人入侵的科幻小說，入侵者來到地球，說：“噢！我們想要你們的星球，我們要殺了你們?！蹦阒?，我們將這種行徑視為邪惡。我的意思是，這可不是一個好鄰居做的事。但我相當(dāng)肯定我們不會遇到這個問題，因為我認(rèn)為火星上并不存在生命。
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好奇號——新一代火星探測車
從中國科技館獲悉，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師、中國科學(xué)院院士、力學(xué)研究所學(xué)術(shù)委員會主任李家春日前在中國科技館開辦主題為“身邊的流動”的講座，通過唐代詩人李白和張繼的名詩《早發(fā)白帝城》和《楓橋夜泊》解釋古人觀察到的流動現(xiàn)象。探尋日本“3?11”海嘯與福島核泄漏、2011年極端氣象災(zāi)害和美國航天飛機退役等事件當(dāng)中的流體力學(xué)的原理。
我們身邊存在著很多流體現(xiàn)象，也許看不見、摸不著，然而它們就像空氣和水，是一種重要的存在，影響著我們的生活。氣象災(zāi)害、日本海嘯、美國航天飛機的退役等均與流體力學(xué)有著密切的關(guān)系。由此可見，身邊的流體現(xiàn)象無處不在。日前，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院院士李家春來到了中國科學(xué)技術(shù)館與廣大市民面對面，為我們詳細(xì)講解“身邊的流動”。
李家春說，2011年，人們遭遇了眾多極端事件：日本海底地震導(dǎo)致海嘯和福島電站核泄漏；澳大利亞颶風(fēng)、我國干旱與洪水災(zāi)害等異常氣候問題，而它們的預(yù)測、預(yù)警都是流體力學(xué)的前沿問題。同樣是在這一年，美國航天飛機歷經(jīng)30年，共飛行130余次，而后全面退役。在其退役的種種原因中，防熱系統(tǒng)不可靠等安全問題，成為流體力學(xué)工作者需著力解決的重要課題。
日本海嘯與流體有關(guān)
“日本‘3?11’地震海嘯災(zāi)害傷亡慘重，并導(dǎo)致了福島第一核電站的核泄漏。海嘯災(zāi)害的發(fā)生需要幾個條件，其中包括6.5級以上的海底地震、震源深度小于50公里、海底板塊垂向運動等。傳播到淺海海灣和海灘地區(qū)，因水的積聚和涌升而致災(zāi)，在夾帶雜物以后沖擊力更強。利用地震波與海嘯傳播的速度差，可以預(yù)警防災(zāi)。”李家春說，“為什么日本這次沒有做好呢？原因有兩個，一個是震源很近，離海岸線僅133公里，時間差很短；第二在于日本沒有預(yù)見到九級地震會造成如此大海嘯，防波堤設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低。如果核電站建在西海岸就要好得多?！?/p>
氣候異常緣于大氣環(huán)流非常不規(guī)則
2011年氣候的異常使人類遭受很多損失。澳大利亞百年難遇的“雅斯”颶風(fēng)；韓國首爾百年一遇的暴雨；包括北京城區(qū)內(nèi)洪水也相對嚴(yán)重。氣候異常究竟緣由何在？李家春對此解釋：“由于海陸分布、地形高低、植被覆蓋、土壤干濕等因素，還有諸如地球自身的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)、日地關(guān)系、太陽活動、火山爆發(fā)等自然原因，大氣環(huán)流是非常不規(guī)則的。近百年來，還有溫室氣體排放等人類活動的干擾，導(dǎo)致全球變暖，大氣活動增強，表現(xiàn)為平均值緩慢上升，在平均值上下幅度的變化也增大?！?/p>
美國航天飛機退役，因為防熱系統(tǒng)沒有設(shè)計好
美國航天飛機退役原因也是矚目的焦點之一。我們知道，航天飛機的好處是運送量大，把人和物資運到空間站去，所以人能夠長期地在空間站進行科學(xué)活動；可以多次往返，似乎可以節(jié)省費用；還有一個好處就是回地落點比較準(zhǔn)確。李家春說：“航天飛機退役最重要的原因是，防熱系統(tǒng)沒有設(shè)計好，維修費用很高，失事率高。兩次失事，一次是挑戰(zhàn)者號，一次是哥倫比亞號，犧牲了14個人，這樣就不經(jīng)濟、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月，發(fā)現(xiàn)號、奮進號和亞特蘭蒂斯號最終退役。兩架失事，三架放到博物館。”
詩詞里的“流動”
有誰想到古人的詩詞中蘊藏著豐富的流體現(xiàn)象呢？在講座上，李家春先以大家耳熟能詳?shù)钠哐越^句《早發(fā)白帝城》為例，“朝辭白帝彩云間，千里江陵一日還。兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山?！边@首詩將詩人遇赦后愉快的心情以及江山的壯麗多姿融為一體，描寫的淋漓盡致，而“輕舟已過萬重山”這順?biāo)兄鄣牧鲿齿p快則體現(xiàn)出了一種流動現(xiàn)象。
李家春說：“為什么三峽建成前后，船的航速不一樣？沒建三峽之前可以輕快如飛。三峽工程建成以后，‘高峽出平湖’，流速就大大減緩了。實際上，這是由于河道的比降不同，也就是說水面的坡度不同所致。河水流動的動力，來自于重力沿著底坡的分量，比降大，該分量也大，所以流速也就增加了?！?/p>
此外李家春還舉出《楓橋夜泊》里的一句“姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船。”從表意來講，是說蘇州城外的寒山古寺，半夜敲響的鐘聲傳到了詩人的船頭。那為什么晚上寒山寺的鐘聲能傳過來？“這里面反映了一個科學(xué)原理，”李家春說，“聲波在大氣當(dāng)中的折射現(xiàn)象。到了晚上，大氣的密度處于穩(wěn)定層結(jié)，上輕下重，這樣聲音就會全反射回來，而白天的分層情況不同，所以可能聽不到鐘聲。”
延伸閱讀
現(xiàn)代流體力學(xué)具有先導(dǎo)作用
什么是流體力學(xué)？在講座上李家春通過解答流體和固體的差別、流體的相態(tài)以及流體運動的表現(xiàn)形式等問題，說明了流體力學(xué)是研究流體介質(zhì)的對流、擴散，以及相伴的物理、化學(xué)、生物過程，導(dǎo)致質(zhì)量、動量、能量輸送的現(xiàn)象。
流體力學(xué)既是一門經(jīng)典學(xué)科又是一門現(xiàn)代學(xué)科。在17世紀(jì)，牛頓基于前人的天文觀測和力學(xué)實驗，發(fā)明了微積分，并總結(jié)出機械運動三大定律和萬有引力定律，發(fā)表了著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書。由于原理是普適自然與工程各個領(lǐng)域的規(guī)律，從而使力學(xué)成為自然科學(xué)的先導(dǎo)。
自20世紀(jì)60年代以來，由于超級計算機、先進測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，力學(xué)進一步凸顯宏微觀結(jié)合和學(xué)科交叉的特征，并進入現(xiàn)代力學(xué)發(fā)展新階段。李家春說：“現(xiàn)代流體力學(xué)在航空航天、海洋海岸、環(huán)境能源、生物醫(yī)學(xué)、材料信息等諸多工程領(lǐng)域都發(fā)揮著不可或缺的作用。因此，現(xiàn)代流體力學(xué)不僅是一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科，而且在同國家經(jīng)濟、社會發(fā)展相關(guān)的各個工程技術(shù)領(lǐng)域仍具先導(dǎo)作用。”
流體力學(xué)的發(fā)展歷程
流體力學(xué)歷史悠久，它發(fā)展的過程可以分成四個階段：基于實踐經(jīng)驗的古代流體力學(xué)，基于嚴(yán)密數(shù)學(xué)理論的經(jīng)典流體力學(xué)，基于物理洞察力的近代流體力學(xué)，以及基于現(xiàn)代高新技術(shù)的現(xiàn)代流體力學(xué)。
西方的古代力學(xué)，最早的有阿基米德的浮力原理和提水機，達?芬奇的撲翼機和降落傘，以及哈根?泊肖葉的管流實驗。這些也都是流體力學(xué)，而且西方關(guān)于定量化的研究做得好，并上升為規(guī)律和理論。經(jīng)典力學(xué)則以牛頓力學(xué)體系的建立為代表，主要推廣到連續(xù)介質(zhì)――就是像水、空氣這樣的介質(zhì)。李家春說，經(jīng)典力學(xué)可以得到很多理論公式，但是也面臨困難，比如說解決不了飛機的問題。而近代力學(xué)靠的是物理思想，在1904年，普朗特在海德堡數(shù)學(xué)會上提出了邊界層理論，解決了阻力和飛機設(shè)計問題。如果沒有這個理論，到現(xiàn)在為止，我們不可能坐飛機在十幾個小時到達紐約。
“中國古代的流體力學(xué)有很多好成就和貢獻，最重要的一個貢獻，就是2000多年前的都江堰水利工程。”李家春說，“魚嘴分水堤嚴(yán)格控制內(nèi)外江的水沙量，飛沙堰溢洪道控制洪水量，寶瓶口起著一個水庫的作用，這些都是流體力學(xué)原理?！?/p>
專家答疑
疑問：要解決比如說航天、海洋、能源、環(huán)境問題，是用數(shù)學(xué)模式、物理思想、現(xiàn)代的超級計算機，還是兼而有之？
李家春：關(guān)于研究手段，比如氣候預(yù)報，需要的計算量非常大，單純靠手算是不現(xiàn)實的。100年以前曾有一位天文學(xué)家預(yù)測一個天體運動，推導(dǎo)了100多項，后來發(fā)現(xiàn)計算錯了，結(jié)果算了一輩子都白算了，所以沒有計算機不行。但是現(xiàn)在有另外一種趨向，就是年輕人不愛學(xué)數(shù)學(xué)、物理，單單學(xué)計算機，而且公式不推了，程序也不編了，為什么?。恳驗橛熊浖Ｈ思揖幒贸塘?，他只需要輸進去數(shù)據(jù)，結(jié)果就能出來，挺不錯啊，就是他不了解里邊的含義，錯了也沒法改，這是不行的。只有學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、物理中基本的知識以后，才能了解算出來東西對還是不對，了解里邊的規(guī)律是什么，才能做到創(chuàng)新。
疑問：如果某些力學(xué)問題解決了，它能夠帶動哪些技術(shù)，解決人類的哪些問題？
李家春：我舉個例子――湍流，這是一個百年的難題。湍流是1883年雷諾發(fā)現(xiàn)的，實際上在我們周圍到處都是，水流里邊、大氣里邊到處是湍流現(xiàn)象。但解決它又非常難，因它是無規(guī)則運動。20世紀(jì)以來有很大進步，第一條，就是把它的發(fā)生原因、轉(zhuǎn)變過程、統(tǒng)計規(guī)律以及它的結(jié)構(gòu)弄清楚了，但現(xiàn)在要預(yù)測它，對飛行力學(xué)、空氣阻力、傳熱這些現(xiàn)象十分重要。另一方面，因為它的尺度非常小，計算機能力還不行，現(xiàn)在十的七次方已經(jīng)很多了，它可能要算到十的十五次方，現(xiàn)在做不到，所以還要靠大腦的智慧。大家要知道，不必要把所有物質(zhì)都分辨到原子、分子，這不可能，只有依靠物理思想對小尺度的現(xiàn)象建立模型，進行簡化，計算量就大大減少了。所以還要學(xué)普朗特的精神。如果這個問題解決了，實現(xiàn)了減阻，每年都能省很多石油，可以把環(huán)境污染問題做得更好。
另外，污染處理問題。流水不腐，戶樞不蠹。水流動起來了就不會發(fā)生污染，這是非常簡單的原理。但是處理污染事件時，做環(huán)境的人往往只用化學(xué)的方法，或者只用生態(tài)的方法，而不用流動的辦法。實際上處理蘇州河的時候，做流體力學(xué)就考慮利用潮水漲落把污染物帶出去，這能提高效率、節(jié)省費用。昆明的滇池到現(xiàn)在為止也沒有解決好。所以光靠化學(xué)不行，一定要用流體力學(xué)原理，利用或產(chǎn)生流動，使得水活起來，污染就可以治理好了。
一、新編高中地理課程結(jié)構(gòu)的新格局
普通高中新課程計劃規(guī)定：高中三個年級都開設(shè)地理課。高一地理（必修）面向全體學(xué)生，為其奠定終身 受用的地理知識與能力基礎(chǔ)。全書以人類為中心，去研究與人類有著密切關(guān)系的自然地理環(huán)境、人類經(jīng)濟活動 與地理環(huán)境關(guān)系、人類面臨的全球性問題和可持續(xù)發(fā)展問題。高二地理（限定選修），為選學(xué)文科學(xué)生畢業(yè)后 升學(xué)深造拓寬文化基礎(chǔ)，它在高一地理（必修）基礎(chǔ)上，把人文地理（狹義）中具有普通應(yīng)用價值的專題性基 礎(chǔ)知識加以敘述。高三地理（限定選修），則是在高一、高二地理的基礎(chǔ)上，著重闡述地理區(qū)域研究基礎(chǔ)知識 和當(dāng)今中國國土整治與開發(fā)的幾個突出問題。以上可以看出，三個年級地理課，層次漸進，相輔相成，渾然一 體，共同完成高中地理教育教學(xué)目標(biāo)。
從可持續(xù)發(fā)展的角度來認(rèn)識，高一地理1至4單元側(cè)重于探討生態(tài)可持續(xù)發(fā)展；高二地理突出社會可持續(xù)發(fā) 展和人口可持續(xù)發(fā)展；高三地理則是讓學(xué)生樹立區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的觀念。從而結(jié)合地理課較系統(tǒng)地向?qū)W生進行 可持續(xù)發(fā)展觀的教育。
二、高一地理（必修）教材體系的新構(gòu)建
高一地理共10單元，按其內(nèi)容聯(lián)系，又可分為三大部分：第一部分，人類賴以生存和發(fā)展的自然地理環(huán)境 （1至4單元）；第二部分，人類活動與地理環(huán)境（5至8單元）；第三部分，人類面臨的全球性問題與可持續(xù)發(fā) 展問題（9至10單元）。
自然地理部分，與現(xiàn)行教材相比，最大變化是采取了以“四大環(huán)境”取代“四大圈層”的體系，從而更加 突出了“人與環(huán)境關(guān)系”的主線。人類生存發(fā)展的范圍是在逐漸擴大的：人類一開始生活在陸地上；航海事業(yè) 的發(fā)展，使人類活動范圍擴展到海洋；航空航天事業(yè)的開拓與進步，又使人類解開大氣、宇宙之奧秘。新編高 中地理在講自然地理時，是以“宇宙環(huán)境”開始的，因為地球上許多地理事象的發(fā)生與地球宇宙環(huán)境有關(guān)，然 后，再講大氣環(huán)境、海洋環(huán)境，最后以與人類關(guān)系最密切的陸地環(huán)境結(jié)束。四大環(huán)境涉及內(nèi)容頗多，新教材并 未追求各大環(huán)境知識的系統(tǒng)性、完整性，而是從人與環(huán)境關(guān)系出發(fā)，選取那些最具有地理性（體現(xiàn)人地關(guān)系） 、時代性（如可持續(xù)發(fā)展觀念）、實用性（體現(xiàn)地理實用價值）知識，而舍去了那些陳舊的、實用價值小的、 與人地關(guān)系不緊密的、屬于地理相關(guān)學(xué)科或邊緣學(xué)科的內(nèi)容。
人文地理部分，摒棄了傳統(tǒng)的、從部門經(jīng)濟地理角度組織材料，而是選取最基本的人類活動范疇，即解決 人類最基本的衣食、居住、聯(lián)系、休閑等需要的活動。具體確定為：人類的生產(chǎn)活動、人類的居住地——聚落 、人類活動的地域聯(lián)系、人類的旅游活動。從而減少了頭緒，突出了人地關(guān)系。每個單元都沒有系統(tǒng)地講某種 人類活動，而是緊緊圍繞人類活動與地理環(huán)境關(guān)系及人文環(huán)境而展開。
三、高一地理（必修）上冊各單元知識結(jié)構(gòu)簡析
（一）第一單元 宇宙環(huán)境
與現(xiàn)行教材不同之處，它不僅講地球的宇宙環(huán)境，還把宇宙作為人類生存和發(fā)展的“第四環(huán)境”展現(xiàn)在學(xué) 生面前。本單元知識可分為三個層次：
第一層次，地球的宇宙環(huán)境（地球在宇宙中的位置，宇宙中的天體太陽、月球?qū)Φ厍虻挠绊懀?。地球是?宙中一顆既普通又特殊的行星，地球上好多現(xiàn)象都與其所處的宇宙環(huán)境有關(guān)。了解它，有助于正確理解地理環(huán) 境的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，有利于從深層次認(rèn)識人類和環(huán)境的密切關(guān)系。教學(xué)時，應(yīng)通過多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段， 向?qū)W生展示天體系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。弄清天體系統(tǒng)和地球在宇宙中的位置，從而幫助學(xué)生樹立辯證唯物主義的宇 宙觀。
第二層次，地球運動的本質(zhì)屬性及其地理意義。教師只有通過讓學(xué)生對地球儀、三球儀的操作演示，通過 “二分日”“二至日”日照圖的讀圖分析，才能使學(xué)生真正理解地球運動的特征以及由此產(chǎn)生的地理意義，同 時也使學(xué)生的操作、繪畫等動手能力和觀察、綜合分析的能力得到發(fā)展。地球的運動是一個很復(fù)雜的運動，它 在自轉(zhuǎn)的同時還繞日公轉(zhuǎn)。科學(xué)地講，地球上許多地理現(xiàn)象實際上是地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)共同作用的產(chǎn)物。新教材 與現(xiàn)行教材的區(qū)別在于沒有明確標(biāo)明哪些是地球自轉(zhuǎn)的地理意義，哪些又是地球公轉(zhuǎn)的地理意義，而是籠統(tǒng)地 以“地球運動的地理意義”概括起來，其意正是要說明這一點。教學(xué)時，為了讓學(xué)生確實體會到這一點，可設(shè) 問讓學(xué)生思考：①假如地球不公轉(zhuǎn)只自轉(zhuǎn)，地球上的晝夜更替周期、地方時差大小將有變化嗎？②假如地球不 自轉(zhuǎn)只公轉(zhuǎn)，地球上還有晝夜更替嗎？③如果黃赤交角等于零，太陽的回歸運動、地球上的晝夜長短變化、正 午太陽高度變化、四季變化、五帶劃分將是怎樣？學(xué)生通過這一連串問題的思考，既加深了對地理事象形成的 深刻理解，又鍛煉了自己的思維能力、空間想象能力。
第三層次，是把宇宙作為人類生存和發(fā)展的第四環(huán)境來講述的。主要介紹了人類對宇宙的新探索、宇宙資 源開發(fā)、宇宙環(huán)境保護。教學(xué)目的在于讓學(xué)生了解宇宙探測意義，喚起學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)，立志探 索宇宙奧秘、開發(fā)宇宙資源、保護宇宙環(huán)境的意識。
（二）第二單元——大氣環(huán)境；第三單元——海洋環(huán)境；第四單元——陸地環(huán)境
這三個單元知識結(jié)構(gòu)大體一致，都可分為二個層次。
第一個層次，是講人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境的組成、結(jié)構(gòu)和特征的。當(dāng)然三個單元各有側(cè)重；第二 單元大氣環(huán)境，先講大氣環(huán)境組成、結(jié)構(gòu)，再講大氣環(huán)境的物理性狀；第三單元海洋環(huán)境，主要講海洋環(huán)境的 基本特征——溫度、鹽度與運動；第四單元陸地環(huán)境則是按陸地環(huán)境組成要素——巖石、地貌、陸地水、生物 、土壤來組織材料的。但無論怎樣，這一層次內(nèi)容的教學(xué)，必須把重點放在理清自然環(huán)境各組成部分內(nèi)部、各 組成部分之間的關(guān)系上，簡稱“地地關(guān)系”。
人地理學(xué)角度講，地理環(huán)境各要素相互聯(lián)系、相互制約和相互滲透，才構(gòu)成了地理環(huán)境整體性。只有搞清 它們之間的有機聯(lián)系，才能深刻理解地理環(huán)境發(fā)生、發(fā)展和演化的規(guī)律。例如：第四單元陸地環(huán)境，離開了各 組成要素內(nèi)部、各組成要素之間、各組成要素與地理環(huán)境之間的聯(lián)系，就很難理解復(fù)雜的陸地環(huán)境形成、發(fā)展 與演化。
從可持續(xù)發(fā)展角度講，只有搞清“地地關(guān)系”，找出地理事物發(fā)生、發(fā)展的變化規(guī)律，才能協(xié)調(diào)人類發(fā)展 與環(huán)境的關(guān)系，走可持續(xù)發(fā)展道路。例如：第三單元海洋環(huán)境，當(dāng)學(xué)生了解了“海氣關(guān)系”、“海陸關(guān)系”時 ，就會從保護全球生命支持系統(tǒng)的高度，自覺地去保護海洋生態(tài)環(huán)境。
從認(rèn)識論的角度講，只有搞清知識間的內(nèi)在聯(lián)系，形成知識網(wǎng)絡(luò)，才能變分散的、機械的識記為系統(tǒng)的、 理解的識記，既便于記，又便于憶，才可能用綜合的觀點分析地理事象。例如：第二單元大氣環(huán)境，在“大氣 的運動”一節(jié)中，只要學(xué)生搞清氣溫、氣壓、氣流、天氣狀況幾者關(guān)系，搞清影響大氣水平運動的“三力”（ 水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力）與風(fēng)力、風(fēng)力與等壓線的關(guān)系，就不難理解和掌握以后的“氣旋與反 氣旋”、“三圈環(huán)流”、“氣壓帶和風(fēng)帶”、季風(fēng)環(huán)境、北半球1月、7月氣壓形勢，乃至世界的降水與氣溫分 布、氣候類型分布等諸多知識。
第二層次，講“人地關(guān)系”，是各單元的重點。它主要包括自然資源、自然災(zāi)害、環(huán)境保護三個問題。四 大環(huán)境不僅是全球生命支持系統(tǒng)的一部分，也是一種有助于人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富。隨著科學(xué)發(fā)展， 自然資源的外延越來越擴大。自然資源問題的教學(xué)，不僅要使學(xué)生了解資源的特性、類型，因地制宜地保護和 合理開發(fā)利用各種自然資源，還在于通過教學(xué)讓學(xué)生樹立科學(xué)的“資源觀”，認(rèn)識并處理好人類活動與資源的 關(guān)系，實現(xiàn)自然資源的永續(xù)利用。
自然災(zāi)害，主要有宇宙災(zāi)害、氣象災(zāi)害、海洋災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等，新教材著重講氣象災(zāi)害與地質(zhì)災(zāi)害。通 過教學(xué)，不僅要使學(xué)生了解各種災(zāi)害發(fā)生的原因、時空分布、危害、防御等，更重要的是教育學(xué)生樹立“災(zāi)害 意識”，確立預(yù)防為主、加強監(jiān)測預(yù)報的觀念，而且還要培養(yǎng)學(xué)生正確的應(yīng)災(zāi)能力，包括應(yīng)災(zāi)心理和應(yīng)災(zāi)行為 的培養(yǎng)。自然環(huán)境本身帶來的災(zāi)害固然可怕，但人類違背自然規(guī)律的活動造成的“環(huán)境問題”更可怕。
目前環(huán)境問題主要有兩大類：一類是由于人類不適度不合理地生產(chǎn)活動，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞和改變；一類 是由于人類消費活動，造成的環(huán)境污染。通過教學(xué)，我們不僅要對各種環(huán)境問題產(chǎn)生的原因（如環(huán)境污染的污 染源、污染物、污染原理等）、危害、對策讓學(xué)生了解清楚，更主要是教育學(xué)生摒棄“人地對立”（如“人主 宰自然”、“人定勝天”等）的傳統(tǒng)“人地觀”，樹立“人地協(xié)調(diào)”的科學(xué)“人地觀”。培養(yǎng)學(xué)生參與意識， 自覺參與當(dāng)?shù)丨h(huán)保工作，展示地理之價值，教育學(xué)生講究“環(huán)境道德”，讓他們從自身作起，從小事作起，從 現(xiàn)在作起，養(yǎng)成良好的保護環(huán)境的道德風(fēng)尚和行為習(xí)慣，自覺與破壞環(huán)境的不道德行為作斗爭。
（三）第五單元——人類的生產(chǎn)活動
人類生產(chǎn)活動是人類最基本的活動，其中工業(yè)和農(nóng)業(yè)又是人類生產(chǎn)活動中最基本的部門。本單元共11節(jié)， 前5節(jié)講農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，后6節(jié)講工業(yè)生產(chǎn)活動。但無論工業(yè)還是農(nóng)業(yè)，都不是講生產(chǎn)活動本身，而是突出講地 理環(huán)境對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響、講人類生產(chǎn)活動與地理環(huán)境的關(guān)系及相應(yīng)的人文環(huán)境。這部分內(nèi)容，無論農(nóng)業(yè) 還是工業(yè)主要分兩個層次。
第一層次，農(nóng)（工）業(yè)的區(qū)位選擇。本質(zhì)上講，就是地理環(huán)境對農(nóng)（工）業(yè)生產(chǎn)活動的影響。教學(xué)時，注 意把握具有遞進關(guān)系的四個問題：①影響農(nóng)（工）業(yè)的主要區(qū)位因素；②影響農(nóng)（工）業(yè)的主導(dǎo)區(qū)位因素；③ 農(nóng)（工）業(yè)的區(qū)位因素不是絕對的、一成不變的，隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，各區(qū)位因素對農(nóng) （工）業(yè)區(qū)位影響在不斷變化著；④農(nóng)（工）業(yè)區(qū)位選擇，既要注意經(jīng)濟效益，同時又要考慮社會效益、環(huán)境 效益和生態(tài)效益，這是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。
與之相應(yīng)，組織學(xué)生進行如下活動：①聯(lián)系實際搞社會調(diào)查，對當(dāng)?shù)兀ɑ蚰骋坏貐^(qū)）農(nóng)（工）業(yè)區(qū)位因素 或區(qū)位選擇作出分析與評價；②根據(jù)不同農(nóng)（工）業(yè)部門不同特點和區(qū)位因素對生產(chǎn)的影響，選擇主導(dǎo)區(qū)位因 素；③具體情況具體分析，按照經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益三兼顧的原則進行農(nóng)（工）業(yè)區(qū)位的選擇實踐 。
虛擬經(jīng)濟哲學(xué)革命溫特爾模式物質(zhì)能量與信息相對論
文章簡介：本文探討新經(jīng)濟與全球化的關(guān)系，分別對新經(jīng)濟和全球化進行了定義。對于信息產(chǎn)業(yè)的本質(zhì)，是從物質(zhì)，能量，信息的差別談的。信息的本質(zhì)是以二進位（0和1的組合）來表示客觀存在，可以與電的開關(guān)相一致，所以可以達到光速，因此超越了物質(zhì)特性，在本質(zhì)上就是全球化的。文章歸納了信息社會的12個內(nèi)容，指出它不是工業(yè)革命的繼續(xù)，而是未來信息與智能社會的開端。中國歷史上的“易”就是二進位的組合，中國人具有發(fā)展新經(jīng)濟的巨大潛力。在新經(jīng)濟和全球化基礎(chǔ)是的國際競爭具有相當(dāng)大的風(fēng)險，包括兩極分化，宏觀經(jīng)濟不穩(wěn)定，影響國家經(jīng)濟安全和等，需要我們認(rèn)真研究對策，不可盲目和天真。
一。作為生產(chǎn)方式的“新經(jīng)濟”：
新科技革命與全球化的結(jié)合
1。全球化與新經(jīng)濟的定義
經(jīng)濟全球化是指“通過貿(mào)易、資金流動、技術(shù)涌現(xiàn)、信息網(wǎng)絡(luò)和文化交流，世界范圍
的經(jīng)濟高速融合”（IMF）。“各國經(jīng)濟已不僅僅是一般地相互聯(lián)系和交往，而是互相交織，互相融合，以致形成了全球經(jīng)濟的整體”。
狹義的“新經(jīng)濟”有三重含義：第一，指90年代低通貨膨脹和高經(jīng)濟增長并存的，美國經(jīng)濟的特殊繁榮；第二，將美國經(jīng)濟增長的原因歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)，“新經(jīng)濟”就獲得以下含義：以網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的新科技革命。第三，指以信息技術(shù)全面改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高全社會生產(chǎn)率。廣義新經(jīng)濟包括三個層次的概念：
第一，新經(jīng)濟不限于生產(chǎn)力范圍，而是生產(chǎn)方式的整體，包括生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系兩個方面：
生產(chǎn)力指以新科技革命為基礎(chǔ)的社會生產(chǎn)力，在90年代以來的新科技革命，則是以信息產(chǎn)業(yè)為核心，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的。生產(chǎn)關(guān)系指美國所推動的，資本主義生產(chǎn)方式的全球化。
這樣定義新經(jīng)濟，就與流行的所謂“新經(jīng)濟＝＝信息產(chǎn)業(yè)（IT），加上全球化”說法相一致了。
第二，目前的“新經(jīng)濟”是90年代在美國首先產(chǎn)生，并影響全世界的。以美國的新經(jīng)濟為出發(fā)點，考慮世界經(jīng)濟的全球化，意味著更加強調(diào)“國際領(lǐng)導(dǎo)者”（目前是美國），包括美國文化，價值觀念，政府和企業(yè)，在推動全球化方面的主體作用，而不僅僅把全球化看成客觀過程。美國是有目的，有戰(zhàn)略，有策略，有意識推動全球化進程的，這就使全球化帶有兩重性：一方面是市場經(jīng)濟發(fā)展的自然歷史過程，一方面是資本主義生產(chǎn)關(guān)系，特別是作為霸主的美國，它的利益和戰(zhàn)略的產(chǎn)物。這對于全面分析全球化的性質(zhì)，新經(jīng)濟的性質(zhì)，及其雙重后果，對于我國的應(yīng)對戰(zhàn)略，有重要的認(rèn)識論意義。
第三，新經(jīng)濟是一個歷史概念。廣義的“新經(jīng)濟”，應(yīng)該從近代資本主義生產(chǎn)關(guān)系開始。所謂“新”，是相對于傳統(tǒng)的自然經(jīng)濟，地域性經(jīng)濟，農(nóng)業(yè)社會而言，可以理解為整個近代資本主義生產(chǎn)方式，在數(shù)百年內(nèi)，經(jīng)過3次大的科技革命，將生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系不斷向全球擴張的過程。
2。4次科技革命與社會形態(tài)
我們把“新經(jīng)濟”理解為近代資本主義生產(chǎn)方式，其生產(chǎn)力的核心部分是新科技革命，這是毫無疑義的，因為科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。一場大的科技革命，需要相當(dāng)長的醞釀期，積累到一定程度以后，才以爆發(fā)的形式形成現(xiàn)實生產(chǎn)力，發(fā)展到成熟階段時，下一次新科技革命又在醞釀。近代以來已經(jīng)出現(xiàn)3次大的科技革命，目前正在出現(xiàn)第4次。
每一次“新經(jīng)濟”的大飛躍，都有一些重要的標(biāo)志：
第一，作為“新經(jīng)濟”的生產(chǎn)力方面，我們強調(diào)它的科技革命基礎(chǔ)：4次大飛躍是以4次科技革命為標(biāo)志的。第一次科技革命的醞釀期，可以追溯到地理大發(fā)現(xiàn)，17世紀(jì)產(chǎn)生于英國，在18世紀(jì)成為現(xiàn)實生產(chǎn)力，19世紀(jì)在美國形成最大規(guī)模的超級產(chǎn)業(yè)。第二次科技革命醞釀于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類發(fā)現(xiàn)了原子能和電子，形成了電力，航空，鋼鐵，汽車等超級產(chǎn)業(yè)。第三次科技革命從二戰(zhàn)以后開始，形成新的超級產(chǎn)業(yè)群。在20世紀(jì)90年代以美國普及計算機和互聯(lián)網(wǎng)為代表，正在醞釀第4次科技革命。為什么把計算機和互聯(lián)網(wǎng)作為下一次新科技革命的開端,而不是上一次的延續(xù)？因為，第3次科技革命及其形成的產(chǎn)業(yè)群，仍舊屬于工業(yè)革命范圍，形成的是現(xiàn)代工業(yè)化社會。而以計算機，互聯(lián)網(wǎng)和生態(tài)技術(shù)，基因技術(shù)為開端的新科技革命，代表的是21世紀(jì)“信息和智能社會”。
人類可以利用的最重要資源是物質(zhì)，能量和信息。在農(nóng)業(yè)社會中，人類把物質(zhì)加工成人力工具；在工業(yè)社會，能量被轉(zhuǎn)化為動力；到了信息社會，信息成為最關(guān)鍵的戰(zhàn)略資源，將被轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代的智力工具。在信息社會中，人類將面臨“智能革命”，人的智能通過智能計算機和智能機器人放大，實施生產(chǎn)的自動化，智能化，人工智能是高科技的核心。所以準(zhǔn)確地說：未來社會應(yīng)該是“信息和智能社會”。要實現(xiàn)智能革命，就要更加深入地了解人的大腦。21世紀(jì)的主導(dǎo)科學(xué)將是生命科學(xué)。90年代開始開始的基因研究，到2005年可能查清人類基因的圖譜。未來的高科技是以基因技術(shù)，信息技術(shù)，生態(tài)技術(shù)和智能技術(shù)為基礎(chǔ)的，新的智能生產(chǎn)力。信息產(chǎn)業(yè)，可以看成是從工業(yè)社會向“信息和智能社會”發(fā)展的過渡階段。
第二，每一次新經(jīng)濟的飛躍，都有生產(chǎn)工具創(chuàng)新，并發(fā)現(xiàn)新的能源動力。第一次新科技革命，工具機是珍妮紡織機和鏜床，由鏜床加工出蒸汽機，才使得蒸汽成為大工業(yè)的動力；第二次新科技革命，工具機是機床，動力是電力和石油和原子能。第三次新科技革命，工具機是計算機，在20世紀(jì)50年代就被發(fā)明出來。第一代計算機是用于信息處理的大型計算機，用于國防和學(xué)術(shù)研究；第二代計算機是個人計算機，用于信息的獲取。第四次科技革命的工具是計算機和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，形成交互式網(wǎng)絡(luò)，用于信息的傳輸和交流，這是第三代計算機。更為高級的計算機，是生物技術(shù)和人工智能的結(jié)合，產(chǎn)生智能機器人，達到人機共同思考。
第三，人類對于物質(zhì)層次的認(rèn)識和利用，日益深入。蒸汽機是以熱力為基礎(chǔ)的，人類對于物質(zhì)的利用在從分子層次；石油的分解和提煉，是以化學(xué)為基礎(chǔ)的，人類對于物質(zhì)的利用在原子層次，物質(zhì)的化合與分解，是原子結(jié)構(gòu)的改變；電力的產(chǎn)生，是人類改變了電子的運動方向。而原子能，則是人類打破原子核的結(jié)果，質(zhì)子，光子和中子，都被人類所利用，以產(chǎn)生新的巨大能量。
第四，人類對于外部環(huán)境的利用日益廣闊，體現(xiàn)在對于空間和時間的認(rèn)識和利用。第一次新科技革命，是以牛頓的機械時空觀為基礎(chǔ)的。新大陸的發(fā)現(xiàn)，極大擴展了人類活動的空間，航海技術(shù)使得世界性的征服殖民地和移民成為可能，而美國鐵路網(wǎng)的建立，才真正為大工業(yè)創(chuàng)造了廣闊的國內(nèi)市場。第二次新科技革命，是以愛因斯坦相對論為基礎(chǔ)的，空間和時間是相對的，可以互相轉(zhuǎn)換的。人類正在進入海洋和外層空間，擴大自己絕對活動空間。更為重要的是，人類開始自覺地改變自己和空間的相對關(guān)系，即通過加快速度，縮短時間，克服空間對自己活動的限制。電子，航空，航天，電磁技術(shù)已經(jīng)達到了這一點。噴氣式飛機，高速公路和鐵路，縮短了人類環(huán)繞地球的時間。3顆同步運行的衛(wèi)星，即可以實現(xiàn)全球24小時不間斷的通訊，使得氣象觀測，股票市場，都能夠通過光速，全天候24小時運行。運行速度越快，時間越短，空間對人類活動的限制就越小。有人說：地球已經(jīng)變成了“地球村”，就是說新科技革命改變了人類活動的時空限制，為人類社會關(guān)系的全球化，提供了無與倫比的技術(shù)手段。新的通訊交通工具可以“壓縮時空”，使整個地球變小，人類的交往不再受到以往那樣的，時間和空間的限制：古代依靠快馬傳書，一天可以跑800里；汽輪船，高速列車，特別是噴氣式飛機的出現(xiàn)，開始改變了這一切。使人類擺脫時空限制的根本手段，是電子通訊技術(shù)。1964年電子計算機在美國誕生，1965年出現(xiàn)了商用衛(wèi)星。60年代末期互聯(lián)網(wǎng)始于美國，80年代應(yīng)用于軍事，教育，科研和教育，90年代應(yīng)用于商業(yè)。2000年有1億臺電腦入網(wǎng)，用戶有5億人。2001年全球信息產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值達到3。5－5萬億美圓，成為世界第一大產(chǎn)業(yè)；到2016年，全球有2億人在家里上班。是網(wǎng)絡(luò)，把地球變成一個“地球村”。只從這一點，就可以看出新技術(shù)革命和全球化的關(guān)系，可以說，以信息革命為基礎(chǔ)的新科技革命，提供了經(jīng)濟全球化的技術(shù)手段，造就了全新的，強大的生產(chǎn)力基礎(chǔ)；而全球化則是資本生產(chǎn)關(guān)系的全球化，二者相互促進，相輔相成，構(gòu)成世紀(jì)之交世界性的全新生產(chǎn)方式。
第五，每一次新科技革命，都有尖端技術(shù)和先導(dǎo)技術(shù)，并產(chǎn)生完全新型的系列產(chǎn)業(yè)。第一次科技革命是蒸汽機，紡織機，電動機，發(fā)電機。第二次科技革命的尖端技術(shù)在20世紀(jì)40年端，在70年代成熟，包括：微電子科學(xué)和電子信息技術(shù)，空間科學(xué)和航空航天技術(shù)，光電子科學(xué)和光機電一體化技術(shù)，生命科學(xué)和生物工程技術(shù)，材料科學(xué)和新材料技術(shù)，能源科學(xué)和新能源，高效節(jié)能技術(shù)，生態(tài)科學(xué)和環(huán)境保護技術(shù)，地球科學(xué)和海洋工程技術(shù)，基本物質(zhì)科學(xué)和輻射技術(shù)，醫(yī)藥科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程。成熟的標(biāo)志是全球技術(shù)創(chuàng)新，并使之轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)，至今方興未艾。
所謂完全新型的產(chǎn)業(yè)，首先是因為其全新的理論基礎(chǔ)和概念，如20世紀(jì)的基本粒子物理，天體物理，核物理，電子學(xué)，遺傳學(xué)，分子生物學(xué)，數(shù)理邏輯學(xué)科。未來21世紀(jì)新科技革命的尖端技術(shù)是計算機技術(shù)（包括多媒體，芯片，機器人和軟件等），激光技術(shù)，生物工程。理論基礎(chǔ)則是現(xiàn)代遺傳學(xué)等。未來新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對于自然資源的高度依賴，轉(zhuǎn)變?yōu)閷χR和技術(shù)的高度依賴。
第六，每一次新科技革命，都產(chǎn)生新的國際關(guān)系和戰(zhàn)略格局?？傆幸粋€國際領(lǐng)導(dǎo)者推動全球化和自由化，這個領(lǐng)導(dǎo)者往往是新科技革命發(fā)源地，具有最先進的科技創(chuàng)新能力，建立了最強大的超級產(chǎn)業(yè)，集中了全世界大部分工業(yè)生產(chǎn)和財富，具有強大的文化政治影響和外交支配能力，成為國際霸主。同時也總有國際挑戰(zhàn)者，與領(lǐng)導(dǎo)者進行對抗。17世紀(jì)的國際領(lǐng)導(dǎo)者是荷蘭，挑戰(zhàn)者是英國；18－19世紀(jì)的國際領(lǐng)導(dǎo)者是英國，挑戰(zhàn)者是德國和法國；20世紀(jì)國際領(lǐng)導(dǎo)者由英國向美國轉(zhuǎn)換，國際挑戰(zhàn)者先是德國，二戰(zhàn)后是蘇聯(lián)和日本。經(jīng)過數(shù)十年的較量，特別是美國新科技革命的成功，取得了更加強大的國際領(lǐng)導(dǎo)者地位，成為全球化的主要領(lǐng)導(dǎo)者和推動者。
第七，每一次新科技革命，都促進生產(chǎn)關(guān)系的革命，產(chǎn)生新的經(jīng)濟體制，新的政府和法律政治制度，新的企業(yè)組織和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。總的方向，是向著自由化，民主化，全球化的方向發(fā)展，個人的權(quán)利得到尊重，個人的創(chuàng)造力得到發(fā)揮。
前3次科技革命，都屬于工業(yè)革命范疇，而目前開始的第4次科技革命，則屬于信息革命范疇，所創(chuàng)造的將是21世紀(jì)的信息和智能社會，對于人類生活的影響將是根本性的。
二。信息產(chǎn)業(yè)與全球化
1。信息的特殊性。
信息與物質(zhì)，能量并列的第三種客觀實體。信息是具有客觀內(nèi)容的，這個客觀內(nèi)容是可以轉(zhuǎn)化二進位數(shù)字的，于是就可以電子作為載體，以光速運動。愛因斯坦對于人類的最大貢獻，就是指出時間和空間的相對性，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)化。當(dāng)物體接近光速運動時，其在運動方向上的長度會縮短50％，完全達到光速時，長度為零，而其質(zhì)量趨于無窮大。長度是物體所占空間的概念，表示物體的存在，人類不能夠想象有一種沒有長度，不占據(jù)空間的物質(zhì)，而且質(zhì)量無窮大的物質(zhì)，或者說物質(zhì)不可能以光速運動。以二進位制將信息數(shù)字化，化為“0和1”兩個數(shù)碼，稱為“比特（BITS）”，與電路的“開和?！闭靡恢?，因此比特可以和電子運動相一致。電子的運動就是信息的傳輸。以光速運動的數(shù)字化信息（BITS），既不是物質(zhì)又不是能量，而是獨立分為一類，它就是以光速運動的某種“內(nèi)容”，可以超越空間的限制，并產(chǎn)生超越時空限制的產(chǎn)業(yè)－－－－信息產(chǎn)業(yè)，在本質(zhì)上必然是全球化產(chǎn)業(yè)，可以超越國界限制，語言限制，速度限制。
信息的另一個特征，是“注意力經(jīng)濟”。1997年INTEI前總裁GROVE提出了“爭奪眼球”的概念：“一個用戶就是一份資產(chǎn)，擁有的訪問人數(shù)或者眼球數(shù)越多，就意味著企業(yè)的潛在利益渠道越廣”。美國邁克爾說“注意力經(jīng)濟”是一種遠(yuǎn)期資產(chǎn)。在信息社會中，特別是在網(wǎng)絡(luò)虛擬經(jīng)濟中，信息以爆炸方式增長，信息已經(jīng)是一種充實的經(jīng)濟資源。稀缺的只是人們的注意力，即期內(nèi)客戶對企業(yè)及其產(chǎn)品的注意程度－－－注意力或者心靈占有率MIDSHARE，是企業(yè)的無形資產(chǎn)。注意力經(jīng)濟，是以最小成本吸引客戶注意力，培養(yǎng)潛在消費群體，獲得未來的無形資本。注意力是企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟中把潛在購買力變現(xiàn)的前提和關(guān)鍵，是虛擬經(jīng)濟的“硬通貨”。
2．信息產(chǎn)業(yè)。
狹義的“新經(jīng)濟”主要指信息產(chǎn)業(yè)。“新經(jīng)濟”產(chǎn)品與傳統(tǒng)產(chǎn)品的最大不同，就是其科研試制費用，先期投資的固定成本非常之高，如12英寸的芯片生產(chǎn)線為20億美圓，基本上是一旦失敗就無法回收的“沉沒成本”，而其復(fù)制成本或者邊際成本非常之低，在復(fù)制軟件方面幾乎為零，必要時，信息產(chǎn)品的生產(chǎn)者可以大幅度降價，保持龐大的銷售市場，排擠競爭對手。因此，市場的規(guī)模和占有率是第一位的，生產(chǎn)者必須進入國際市場。
信息產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最為重要，生產(chǎn)者可以通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推廣，通過技術(shù)和設(shè)備的專用性，把用戶長期鎖定于自己的產(chǎn)品系列中。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)必須是國際通行的。信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施－－－－互聯(lián)網(wǎng)是國際性的。
信息產(chǎn)業(yè)起源于本世紀(jì)初的無線電，發(fā)展于50－60年代的半導(dǎo)體。日本在70－－－80年代成功地把美國創(chuàng)造的電子技術(shù)，轉(zhuǎn)化為民用產(chǎn)品，在家用電器和汽車等方面，對美歐占據(jù)了優(yōu)勢。80年代初期，日本總體科技水平已超過了歐洲，接近了美國。1983年日本在159項關(guān)鍵技術(shù)中，有39項同時領(lǐng)先于美國和歐洲，有38項水平相當(dāng)，只有16項落后。日本小汽車成本，在1980年是3000美圓左右，美國為4700美圓；日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在80年代中期，占據(jù)了50％的國際市場；日本的汽車，家用電器和建筑機械，在世界市場的價格比歐美產(chǎn)品低25－－－30％。60年代日本的主流產(chǎn)品是鋼鐵，船舶；70年代是家用電器，80年代是汽車和電子產(chǎn)品，皆領(lǐng)先于世界潮流。然而在90年代的主流產(chǎn)品個人電腦，通信產(chǎn)品，和信息產(chǎn)品的增殖方面，卻明顯缺乏日本的參與。在80年代末期，日本信息產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略有誤，把主要研究力量投入大型電腦，而美國卻大力發(fā)展起個人電腦。
由于在領(lǐng)先產(chǎn)品方面的錯誤選擇，日本就難以參與新經(jīng)濟的國際化分工。美國直接選取臺灣，韓國，新加坡和中國大陸為合作對象，以臺灣和新加坡生產(chǎn)一般電腦部件，韓國生產(chǎn)半導(dǎo)體的記憶部分，中國大陸和東南亞生產(chǎn)低檔的周邊產(chǎn)品，本土的英特爾控制核心核心部件中央處理器，微軟控制軟件，利用英特爾和微軟控制的技術(shù)平臺周期性提升電腦性能和硬件需求，進而與英特網(wǎng)等最新的信息技術(shù)結(jié)合，左右了全球信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程，形成了“溫特爾平臺”：微軟的視窗操作系統(tǒng)和英特爾芯片結(jié)合，微軟占領(lǐng)了90％以上的軟件市場，英特爾占領(lǐng)了80％的芯片市場。
關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng)； 激光測距； 望遠(yuǎn)鏡； 位置二次閉環(huán)； 混合PID
中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 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
為了發(fā)展和拓寬空間目標(biāo)監(jiān)測的新技術(shù)方法和手段，中科院云南天文臺新建一臺53 cm收發(fā)分光路的雙筒激光測距[1]望遠(yuǎn)鏡，以解決現(xiàn)有的1.2 m收發(fā)共光路望遠(yuǎn)鏡[2]中的單光子探測器（Single?Photon Detector）[3?4]易受強激光后向散射影響的問題，并可聯(lián)合1.2 m望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)空間目標(biāo)的多角度多方位測量。此外53 cm激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡可為1.2 m望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)提供激光導(dǎo)引星[5]，可進一步提高空間暗弱目標(biāo)的探測能力，而成像系統(tǒng)對空間目標(biāo)的可視性，在很大程度上也能提高衛(wèi)星激光測距（Satellite Laser Ranging）成功的概率。
衛(wèi)星激光測距的原理是通過精確測定激光脈沖在地面觀測站與衛(wèi)星之間的往返時間間隔，從而算出地面觀測站到衛(wèi)星的距離。自1997年美國航空航天局的John J. Degnan提出高重復(fù)率的激光測距[6]，kHz衛(wèi)星激光測距技術(shù)在近幾年迅速發(fā)展起來，它通過高測距頻率來增加觀測數(shù)據(jù)以提高標(biāo)準(zhǔn)點精度。大型的激光測距望遠(yuǎn)鏡是集光機電于一體的綜合系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)是其重要組成部分，直接影響了望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度、激光光束的指向和數(shù)據(jù)的測量采集。對于低軌衛(wèi)星的跟蹤，伺服系統(tǒng)應(yīng)具有較好的快速響應(yīng)能力；對于高軌衛(wèi)星的跟蹤，伺服系統(tǒng)則應(yīng)具有較好的低速平穩(wěn)性。而伺服控制系統(tǒng)涉及到電力電子技術(shù)、電機技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等多技術(shù)領(lǐng)域[7]。在驅(qū)動方式上，Keck，LAMOST等采用摩擦傳動[8]，而VLT，Subaru等采用直接驅(qū)動[8]，國內(nèi)大型望遠(yuǎn)鏡一般采用控制簡單、低速穩(wěn)定性好的大功率直流力矩有刷電機。在主控單元的選擇中，普遍會采用高速的DSP、FPGA、工控機或?qū)Ｓ玫倪\動控制器。集驅(qū)動、保護、功率轉(zhuǎn)換拓?fù)涞闹悄苄凸β誓K紛紛涌現(xiàn)，特別是集成智能功率模塊IPM逐漸成為了伺服驅(qū)動的優(yōu)選方案。在望遠(yuǎn)鏡的控制算法上，最普遍的是各種改進的PID算法，如變結(jié)構(gòu)PID[9]、內(nèi)模PID[10]等，還有速度滯后補償、速度前饋、動態(tài)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]、重復(fù)控制[13]、H～∞控制[14]和自抗擾控制[15]等也取得很好的控制效果。
云南天文臺自主研制53 cm雙筒kHz激光測距望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)，采用力矩電機直接驅(qū)動的方式，使用圓光柵編碼器作為測量反饋元件，選用工控機和運動控制器為主控單元，應(yīng)用位置二次閉環(huán)和帶前饋補償[16]等多種PID的控制算法，現(xiàn)已完成了控制系統(tǒng)的集成設(shè)計和控制軟件的開發(fā)，并進行了基本的調(diào)試和測試工作。1 控制系統(tǒng)的總體方案
1.1 53 cm激光測距望遠(yuǎn)鏡概述
53 cm kHz激光測距望遠(yuǎn)鏡主要由機械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成，總重約4 200 kg。該望遠(yuǎn)鏡采用地平式結(jié)構(gòu)，機械部分主要由激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡筒、激光接收望遠(yuǎn)鏡主鏡筒、中間連接塊、高度軸系、方位軸系、方位底座和安全保護等組成。光學(xué)系統(tǒng)分激光發(fā)射光路和回波接收光路，發(fā)射光路采用反射式系統(tǒng)，激光經(jīng)過二次擴束發(fā)射，接收光路采用RC系統(tǒng)，視場角0.5°，接收380～780 nm的光譜，通過半透半反分成兩路：一路為接收終端，一路為監(jiān)視終端。激光器采用Nd：YAG激光器，經(jīng)單脈沖選擇三級放大和晶體二次諧波倍頻后產(chǎn)生532 nm的激光。
接收器件要求高靈敏度和盡可能小的電子渡越時間，本系統(tǒng)選用制冷單光子雪崩二極管（C?SPAD），它具有量子效率高、輸出信號強等優(yōu)點。為確保機架運行的安全性，軸系上設(shè)置了三重限位保護，分別為軟件限位、電限位和機械限位，此三重限位依次順序起作用?？刂葡到y(tǒng)由力矩電機、伺服驅(qū)動器、運動控制器和工控機等組成。
1.2 技術(shù)指標(biāo)
建立53 cm激光發(fā)射雙筒望遠(yuǎn)鏡的伺服控制系統(tǒng)，并與1.2 m望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合實現(xiàn)具有跟蹤測量快速空間目標(biāo)能力的多功能同步觀測系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)帶有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)反饋，并采用CCD圖像跟蹤的光電閉環(huán)得到目標(biāo)的實時脫靶量，以使該望遠(yuǎn)鏡能快速高精度跟蹤400 km以上的空間目標(biāo)，跟蹤精度需優(yōu)于10″。根據(jù)400 km以上空間目標(biāo)的運動特性，為該望遠(yuǎn)鏡制定表1所示的指標(biāo)。
表1 控制系統(tǒng)的精度指標(biāo)
1.3 系統(tǒng)方案
圖1為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。相比于摩擦傳動，直接驅(qū)動具有高傳動剛度、少摩擦、易安裝調(diào)試和弱非線性特性等優(yōu)點[17]。故53 cm雙筒望遠(yuǎn)鏡的方位軸和高度軸都采用直流力矩電機直接驅(qū)動的方式，解決了高低速比差問題，同時減少了機械傳動系統(tǒng)造成的傳動短周期誤差，得到較好的跟蹤平穩(wěn)性。為滿足測角分辨精度，測角元件使用了RENISHAW增量式編碼器，直徑為Φ255，分辨率為32.4″，經(jīng)200倍頻細(xì)分后分辨率可達0.162″，滿足指向及電修正分辨精度。主控制器選用工控機和運動控制器，輸出標(biāo)準(zhǔn)的-10～10 V的工業(yè)控制信號，通過伺服驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，來驅(qū)動望遠(yuǎn)鏡在高度軸和方位軸上的運轉(zhuǎn)。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
為達到精確穩(wěn)定控制，引入三環(huán)反饋和CCD圖像閉環(huán)[18?19]。位置反饋采用編碼器讀取位置值，速度反饋采用對位置信號差分的方法得到速度值，電流反饋采用電機內(nèi)部的電流傳感器自行完成。其中位置反饋為外反饋，進入運動控制器中運算，經(jīng)過調(diào)節(jié)器輸出速度給定，同時位置信息傳送回工控機進行決策和顯示，而速度反饋形成內(nèi)反饋，與給定的速度值進行比較調(diào)節(jié)，輸出調(diào)節(jié)電流。CCD圖像閉環(huán)采用CCD對空間目標(biāo)成像，送回工控機作圖像識別與跟蹤處理，實時計算目標(biāo)脫靶量，并傳送給控制系統(tǒng)，對望遠(yuǎn)鏡進行跟蹤指向修正。對于空間目標(biāo)檢測，考慮夜空背景和衛(wèi)星的成像特性，先對數(shù)字圖像濾波增強，提高目標(biāo)與背景的對比度，再采用自適應(yīng)局部閾值分割，檢測出目標(biāo)，然后計算目標(biāo)的質(zhì)心，并得出質(zhì)心與視場中心的位置偏差。對于空間目標(biāo)跟蹤，既要保證目標(biāo)檢測與脫靶量傳送的實時性，還要設(shè)計目標(biāo)運動軌跡的預(yù)測算法對脫靶量進行滯后補償。同時需提高算法的抗干擾性，以防止高頻噪聲和其他天體等因素的影響。
控制算法主要采用經(jīng)典實用的PID控制。而在高速高精度的望遠(yuǎn)鏡控制中，傳統(tǒng)的PID具有非線性、時變不確定和控制精度有限等缺點，不能達到理想的控制效果，故考慮采用復(fù)合控制，即在閉環(huán)的基礎(chǔ)上，引入一個輸入信號或擾動信號的前饋通路，這既不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還使系統(tǒng)近似等效為高階無差系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的跟蹤精度。
同時本文還在復(fù)合PID的基礎(chǔ)上應(yīng)用多種PID，即混合PID算法，以進一步提高該控制系統(tǒng)的跟蹤性能如圖2所示。
圖2 控制算法示意圖
圖2中[KP，KI，KD]分別為比例增益，積分增益和微分增益。[KVf]為速度前饋增益，對速度變化指令以較低的跟隨誤差給予較快響應(yīng)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性不影響；[KA]為加速增益，用來降低高加速度運動時的速度過沖；[KV]為速度增益，對整體響應(yīng)具有減震作用。
式（1）～式（5）在時域上描述了圖2的算法過程，其中[Pd（t）]和[Pm（t）]分別為[t]時刻的給定位置和測量位置，[u（t）]為調(diào)節(jié)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 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)點
2.1 控制機箱的集成設(shè)計
系統(tǒng)集成（System Integration）是通過結(jié)構(gòu)化的綜合布線系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各個分離的設(shè)備、功能和信息等集成到相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，使資源達到充分共享，實現(xiàn)集中、高效、便利的管理。系統(tǒng)集成實現(xiàn)的關(guān)鍵在于解決系統(tǒng)之間的互連和互操作性問題，它是一個多廠商、多協(xié)議和面向各種應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)。
該望遠(yuǎn)鏡的控制機箱主要集成了一臺運動控制器、兩臺伺服驅(qū)動器、散熱風(fēng)扇等，同時提供了電機接口、編碼器接口、串口、USB、限位信號、電源等外部接口，控制機箱的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 控制機箱框圖
運動控制器采用Baldor的NextMove系列，它是一種用于伺服和步進電機的高性能多軸智能控制器。NextMove結(jié)構(gòu)使用浮點數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)加上一個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。FPGA負(fù)責(zé)處理通常為外部離散邏輯器件保留的功能，如輸入/輸出、編碼器反饋等。伺服驅(qū)動器采用Xenus的XTL系列，根據(jù)電機型號選配不同帶負(fù)載能力的驅(qū)動器。工控機通過USB 1.1與控制器通信，傳送控制信號和數(shù)據(jù)信息，控制器輸出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的±10 V模擬控制信號給伺服驅(qū)動器，經(jīng)過功率放大驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。編碼器讀出頭提供編碼器信息給伺服驅(qū)動器，經(jīng)過差分得到速度信息形成速度反饋。同時驅(qū)動器把位置和速度信息都傳送給控制器，完成位置閉環(huán)和控制算法。另外電限位開關(guān)采用霍爾器件，通過霍爾信號讀出電路輸出一個脈沖信號到控制器的數(shù)字輸入端口，以提供限位警報信號，并采取急剎車和反向運動的措施。
2.2 軟件設(shè)計
運動控制器通過Mint語言實現(xiàn)運動控制。Mint是一種結(jié)構(gòu)化的、基礎(chǔ)的、根據(jù)用戶需求定制的步進或伺服運動控制語言。Mint提供了ActiveX控件，它支持所有以Mint為基礎(chǔ)的程序事件，還可訪問控制器上所有運動控制和I/O功能，此外采用ActiveX控件開發(fā)的上位機軟件可與運動控制器的Mint或嵌入的C語言程序同時運行。
53 cm雙筒光電望遠(yuǎn)鏡控制軟件對伺服控制系統(tǒng)中各硬件設(shè)備進行管理控制，并在人機界面中顯示其運行狀態(tài)，保證各設(shè)備工作的穩(wěn)定性和實時性，同時還可對控制系統(tǒng)內(nèi)異常情況及時處理并報警?？刂栖浖\行環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)，采用的開發(fā)環(huán)境是Visual C++ 6.0。軟件的主要功能包括衛(wèi)星預(yù)報、實時控制和信息顯示等功能，如圖4所示。
圖4 控制軟件界面
衛(wèi)星預(yù)報功能是根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)對當(dāng)天經(jīng)過測站上空的衛(wèi)星進行總體預(yù)報，生成可觀測衛(wèi)星列表，以幫助觀測人員合理規(guī)劃衛(wèi)星的觀測計劃，然后根據(jù)各衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)計算出各衛(wèi)星在方位和高度上的預(yù)報位置，即望遠(yuǎn)鏡跟蹤引導(dǎo)數(shù)據(jù)。
實時控制功能是通過工控機與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，實時控制望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤測量。工控機將引導(dǎo)數(shù)據(jù)發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制望遠(yuǎn)鏡機架的運動；同時控制系統(tǒng)將編碼器數(shù)據(jù)、硬件狀態(tài)等信息發(fā)送給工控機。使用定時精度較高的多媒體定時器[20]作為軟件內(nèi)部的定時。通過多線程為不同任務(wù)分配合理的優(yōu)先級，實現(xiàn)對資源的合理利用。
信息顯示功能實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡運行中信息的顯示，利用GDI繪圖，將編碼器數(shù)值、預(yù)報數(shù)據(jù)曲線、傳動誤差曲線和各分系統(tǒng)狀態(tài)等及時顯示出來，反饋給觀測人員，還對系統(tǒng)內(nèi)的異常情況及時報警。
2.3 自定義通信協(xié)議
對于望遠(yuǎn)鏡機架的運動控制，有兩種方案：一種是通過計算機高級語言調(diào)用ActiveX控件實現(xiàn)運動控制，而運動控制器只需配置控制系統(tǒng)的參數(shù)；另一種是在運動控制器內(nèi)直接進行嵌入式開發(fā)，計算機控制軟件主要負(fù)責(zé)任務(wù)管理和傳送引導(dǎo)數(shù)據(jù)。經(jīng)過試驗，運動控制器對高級語言控制指令響應(yīng)較慢，實時性很難保證。故本文采用第二種方式實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡機架的運動控制。上位機程序只需將方位軸和高度軸位置信息發(fā)送給控制器，而實時的運動控制由下位機實現(xiàn)。NextMove提供了一個專用的COMMS通信數(shù)組，通過讀/寫該存儲單元來實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)交換。計算機可調(diào)用ActiveX來實現(xiàn)對COMMS數(shù)組的讀寫操作。COMMS數(shù)組包含99個讀寫單元，其中前5個元素發(fā)生變化，會觸發(fā)相應(yīng)的COMMS事件，計算機或運動控制器中相應(yīng)的程序能實時響應(yīng)這些事件。制定上位機對下位機管理控制的通信協(xié)議如下：
（1） Comms（1） = 1，打開驅(qū)動器使能；
（2） Comms（1） = 2，打開驅(qū)動器使能并準(zhǔn)備運動；
（3） Comms（1） = 3，運動停止；
（4） Comms（1） = 4，運動停止并關(guān)閉驅(qū)動器使能。
經(jīng)試驗，上位機以20 Hz或10 Hz的控制頻率實時傳送引導(dǎo)數(shù)據(jù)給運動控制器，運動控制器實時響應(yīng)執(zhí)行運動指令，實測的誤差數(shù)據(jù)總存在一個固定偏差。本文采用預(yù)報數(shù)據(jù)超前載入和自內(nèi)插的方案以克服通信延時帶來的穩(wěn)偏，并使用硬件自定時執(zhí)行的方式以大幅度減小VC++定時精度不高所帶來的隨機誤差，從而實現(xiàn)真正的實時精確控制。為此制定的引導(dǎo)數(shù)據(jù)通信協(xié)議如下：
（1） 預(yù)報位置傳送到Comms的18～97單元中，共80個單元。方位軸用18～57單元，高度軸用58～97單元，如圖5所示，兩個預(yù)報位置間的間隔暫定為100 ms。
圖5 引導(dǎo)數(shù)據(jù)通信協(xié)議示意圖
（2） 98和99兩個單元用來存儲控制系統(tǒng)當(dāng)前執(zhí)行到第幾組第幾個單元的預(yù)報數(shù)據(jù)，以便工控機讀取運行狀態(tài)并執(zhí)行校驗工作。
（3） 跟蹤過程中，判斷時間，提前載入即將開始的A1和H1段的20組預(yù)報數(shù)據(jù)（2 s的預(yù)報數(shù)據(jù)）。
（4） 當(dāng)運行到A1，H1段的第3個數(shù)據(jù)時，即第一段開始200 ms后，此時Comms（98）=20， Comms（99）=60，控制器置Comms（3）=2，觸發(fā)上位機發(fā)送A2，H2段的20組數(shù)據(jù)。
（5） 當(dāng)運行到A2，H2段的第3個數(shù)據(jù)時，即第二段開始2 s后，此時Comms（98）=40， Comms（99）=80，控制器置Comms（3）=1，觸發(fā)上位機發(fā)送A1，H1段的20組數(shù)據(jù)。
（6） A1，H1段和A2，H2段輪流存儲預(yù)報數(shù)據(jù)，由運動控制器執(zhí)行基于加速度預(yù)測的內(nèi)插算法，50 ms或100 ms一個控制量，并作實時的速度控制和調(diào)節(jié)。
（7） 在預(yù)報數(shù)據(jù)結(jié)束時，計算機發(fā)送結(jié)束指令，控制器清空數(shù)據(jù)，停止運動。
2.4 位置二次閉環(huán)與混合PID
該望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的位置環(huán)主要采用帶前饋補償?shù)腜ID算法，速度環(huán)采用帶濾波器的PI算法。由于機架是大慣量負(fù)載，在望遠(yuǎn)鏡已運行到初始預(yù)報位置正在待命的情況下，突然起動會產(chǎn)生一個較大的滯后，而在衛(wèi)星預(yù)報時刻已開始的情況下，望遠(yuǎn)鏡以較大的速度運行到預(yù)報位置會產(chǎn)生一個較大的過沖。NextMove提供的位置運動指令有一個加減速的過程，為保證運動的流暢性，本文采取速度控制模式，并以理論位置與實際位置之差作為反饋量來實時調(diào)控運行速度，最終達到逼近理論位置的效果，本文暫稱此方法為位置二次閉環(huán)。即在帶前饋的PID的基礎(chǔ)上，再添加一次位置閉環(huán)，以克服上述的滯后與過沖現(xiàn)象帶來的累積誤差。式（6）、式（7）是速度實時調(diào)整的基本表達式：
[Vk+1=Vk+1+α?ΔPk+β?j=1kΔPj] （6）
[ΔPk=Pt，k-Po，k] （7）
式中：[Vk+1]是[k+1]時刻的理論速度；[Vk+1]是修正后的給定速度；[Pt，k]是[k]時刻理論的位置；[Po，k]是[k]時刻實際觀測的位置；[α]和[β]都為調(diào)節(jié)參數(shù)，應(yīng)取值較小，尤其是[β]，過大會引起運動的振蕩，具體應(yīng)由多次的調(diào)試結(jié)果來確定。
實際應(yīng)用中，本文采用混合PID的方式，即融合多種PID算法來保證望遠(yuǎn)鏡運行的跟蹤精度、快速性、穩(wěn)定性和安全性，如變增益的PID、積分分離的PID、帶死區(qū)的PID、帶速度和加速度限幅的PID等。當(dāng)衛(wèi)星預(yù)報的起始時間未到，望遠(yuǎn)鏡有足夠的時間提前運行到起始位置；而當(dāng)預(yù)報的起始時間已經(jīng)開始，望遠(yuǎn)鏡需要以較大的速度追及到理論的位置。那么[α]和[β]需要根據(jù)[ΔPk]的大小而自動調(diào)整，當(dāng)[ΔPk]較大，[α]可取稍大一些，以加快收斂速度，[β]直接取0，以免超調(diào)量過大和系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低；當(dāng)[ΔPk]較小，[α]可取稍小一些，以保證收斂精度，同時引入[β]，以便減小靜差，進一步提高精度；當(dāng)[ΔPk]小到一定程度，[α]和[β]可直接取0，設(shè)置一個死區(qū)，消除由于頻繁動作所引起的大機械系統(tǒng)的振蕩。同時望遠(yuǎn)鏡的速度和加速度應(yīng)作必要的限幅，以避免個別奇異數(shù)據(jù)點或者噪聲對跟蹤過程的過大影響，并確保運動的平穩(wěn)性和安全性，以免飛車事故造成不可修復(fù)的破壞。具體的調(diào)節(jié)算法如下：
（1） 根據(jù)實際情況，確定誤差閾值[E]和[e]；
（2） 當(dāng)[ΔPk>E]時，[α=α1]，[β=0]；
（3） 當(dāng)[e
（4） 當(dāng)[ΔPk
（5） 作限幅處理：[Vk+1≤Vm]，[Vk+1-Vk≤amΔt]。
其中[E>e]，[α1>α2]，[Δt]為控制間隔，最大速度[Vm]和最大加速度[am]的取值決定于不同空間目標(biāo)的運動參數(shù)，可根據(jù)衛(wèi)星軌道預(yù)報數(shù)據(jù)事先獲得，并隨空間目標(biāo)不同而不同。實際上控制系統(tǒng)由于自身機械特性等因素?zé)o法達到無差的理想狀態(tài)，位置二次閉環(huán)和混合PID的控制策略不僅滿足該望遠(yuǎn)鏡跟蹤空間目標(biāo)的實際需求，還在一定程度上彌補了控制系統(tǒng)自身的不足。
3 測試實驗與結(jié)果
3.1 系統(tǒng)調(diào)試曲線
本實驗分別給出速度環(huán)和位置環(huán)最終的響應(yīng)曲線。先不考慮位置環(huán)，直接在速度環(huán)施加一個幅度0.5 r/m的5 Hz脈沖信號，圖6（a）和（b）分別為方位軸和高度軸的響應(yīng)曲線。
由于方位軸承受著整個望遠(yuǎn)鏡機架的重量，慣性力矩和摩擦力矩都較大，在5 Hz的脈沖信號下，很難做到快速響應(yīng)，而高度軸的慣性力矩較小，其快速性較好。速度環(huán)的作用是調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的動態(tài)性能并抑制外界干擾從而保證望遠(yuǎn)鏡運行的平滑性，因此在速度環(huán)的調(diào)節(jié)中，應(yīng)盡量提高各軸系的快速性，同時確保速度響應(yīng)曲線的平滑性，以避免電機振動。在位置環(huán)上，輸入一個100線（16.2″）的階躍信號，圖6（c）和（d）分別是方位軸和高度軸的階躍響應(yīng)。
可見方位軸超調(diào)量約7%，上升時間約96 ms，調(diào)整時間較長；高度軸超調(diào)量約7%，上升時間約54 ms，調(diào)整時間較短。增加積分系數(shù)，會減小穩(wěn)態(tài)誤差，但也會增加上升時間，還會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此積分增益一般取較小。而合適的前饋量既能提高響應(yīng)速度，又能減小穩(wěn)態(tài)誤差。實際調(diào)試中，階躍響應(yīng)曲線僅作參考，需根據(jù)實測跟隨誤差進行參數(shù)調(diào)整。
3.2 實測系統(tǒng)誤差及比較實驗
本實驗分別測試了望遠(yuǎn)鏡在3 （°）/s和0.05 （°）/s勻速下的系統(tǒng)跟隨誤差（Following Error）。圖7可以看出，高度軸較方位軸的精度要高一些，這是由于兩軸各自的機械特性所致。在3 （°）/s的較高速度下，高度軸誤差在±2″之內(nèi)，而方位軸大部分情況也能保持在±6″之內(nèi)，基本能滿足要求。由于直驅(qū)的方式和機架的剛性較好，在低速運行中，兩軸都能達到較高的精度。
圖7 系統(tǒng)跟隨誤差
系統(tǒng)跟隨誤差是系統(tǒng)計算位置設(shè)定值與實際位置值的偏差，反映了系統(tǒng)自身的性能，而跟蹤誤差在此可認(rèn)為是預(yù)報數(shù)據(jù)的位置設(shè)定值與實際位置值的偏差，表明了實際的跟蹤能力。本實驗分別采用高軌激光測距衛(wèi)星GLONASS?118（約19 140 km）和低軌激光測距衛(wèi)星GRACE?B（485～500 km）的軌道信息作為引導(dǎo)數(shù)據(jù)，來驗證望遠(yuǎn)鏡的快速跟蹤能力和低速平穩(wěn)性，并比較了單一的復(fù)合PID和位置二次閉環(huán)（結(jié)合混合PID）的運行效果，圖8截取了穩(wěn)定跟蹤并具有代表性的一段。圖8（a）和（b）顯示了GLONASS?118的跟蹤誤差，在單一的復(fù)合PID控制的情況下，跟蹤誤差會不斷累積而增大；而在位置二次閉環(huán)與混合PID的共同作用下，兩軸的跟蹤誤差分別始終保持在同一水平，其均方根明顯優(yōu)于1″。圖8（c）和（d）顯示了GRACE?B的跟蹤誤差，在130～220 s期間，GRACE?B經(jīng)過天頂區(qū)域，方位軸存在急劇的加減速過程，其速度在167～183 s期間超過了3 （°）/s，故跟蹤誤差有一個較大的抖動。在單一的復(fù)合PID控制下，由于起動延遲或速度過沖，跟蹤誤差始終維持一定的偏差量（正或負(fù)）并此起彼伏。在位置二次閉環(huán)與混合PID的共同作用下，方位軸跟蹤誤差的均方根仍在2″以內(nèi)，峰峰值為17.76″，其異常率（±5″以外）為3.9%，而高度軸誤差均方根在1″以內(nèi)，峰峰值為7.0″。
此外強電等外界干擾導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)的誤碼、衛(wèi)星預(yù)報數(shù)據(jù)出錯或人為的失誤，都會造成望遠(yuǎn)鏡機架的劇烈運動，這一方面會導(dǎo)致跟蹤誤差急劇加大甚至目標(biāo)丟失，另一方面會對望遠(yuǎn)鏡造成一定程度的損害。
為進一步說明位置二次閉環(huán)與混合PID的實際作用，在中軌激光測距衛(wèi)星LAGEOS?1（約5 850 km）的預(yù)報數(shù)據(jù)中人為添加一個0.5°的強擾動，即引導(dǎo)數(shù)據(jù)中存在一個奇異點。
如圖9所示，改變[k]時刻的預(yù)報數(shù)據(jù)，會引起[k-1]，[k]和[k+1]時刻的抖動，可以看到：在單一的復(fù)合PID下，擾動嚴(yán)重影響了跟蹤效果；在位置二次閉環(huán)與混合PID下，方位軸和高度軸分別在1 s和0.4 s之內(nèi)重新回到±5″以內(nèi)的誤差范圍，具有一定的自修正能力。
4 結(jié) 語
本文根據(jù)53 cm雙筒激光測距望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)使命和技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計并實現(xiàn)了其控制系統(tǒng)。文中概述了系統(tǒng)的整體方案，包括結(jié)構(gòu)組成、控制算法等，還論述了控制機箱的集成設(shè)計和軟件實現(xiàn)。提出自定義的通信協(xié)議以優(yōu)化望遠(yuǎn)鏡的管理與控制過程，成功克服了通信延時與VC++定時精度不高的瓶頸，從而盡可能做到實時精確控制。提出位置二次閉環(huán)與混合PID的控制策略，大大減小了因起動滯后、高速過沖和干擾引起的累積誤差，并兼顧了控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和安全性，提高了望遠(yuǎn)鏡實際的跟蹤性能。
本文最后給出了控制系統(tǒng)速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)試曲線以及系統(tǒng)的跟隨誤差曲線，并對望遠(yuǎn)鏡在衛(wèi)星預(yù)報數(shù)據(jù)的引導(dǎo)下進行了跟蹤誤差的測量，還給出了單一的復(fù)合PID和位置二次閉環(huán)（結(jié)合混合PID）的比較實驗。
圖8 高低軌衛(wèi)星跟蹤誤差比較
圖9 強擾動下衛(wèi)星LAGEOS?1跟蹤誤差
實驗結(jié)果證明：在跟蹤400 km以上的快速空間目標(biāo)時，方位軸跟蹤誤差基本在±5″范圍內(nèi)，其誤差均方根在2″以下，高度軸跟蹤誤差基本在±3″范圍內(nèi)，其誤差均方根在1″以下；在跟蹤中高軌等慢速空間目標(biāo)時，方位軸和高度軸的跟蹤精度（誤差均方根）約在1″之內(nèi)；該望遠(yuǎn)鏡具有跟蹤400 km以上空間目標(biāo)的能力，同時具有較強的魯棒性和抗干擾能力。鑒于地平式望遠(yuǎn)鏡在天頂區(qū)存在一個盲區(qū)，機架運行速度趨于無窮大，跟蹤誤差也隨之急劇增大，在將來的工作中作者將研究合適的控制策略以減小該階段的跟蹤誤差，同時將綜合物理建模與系統(tǒng)辨識的方法對該控制系統(tǒng)進行建模仿真，對現(xiàn)有的控制算法作進一步的優(yōu)化和改進，以獲得更高的跟蹤精度。
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