時間：2023-09-20 16:02:51
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8月13日，美國總統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星發射中心等待發射升空。
“‘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公司打敗中國航天的‘舉國體制’?！焙教鞂＜引嬛普J為，完全把中美航天發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“政府航天史”的太空探索技術公司（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創建于2002年，創始人穆斯克（Elon Musk）走的是典型美國創業者路線：進入斯坦福大學攻讀學位的第二天就退學，然后創立了網絡支付公司貝寶（Paypal），成為億萬富翁后轉而投向私營航天事業。該公司發展速度之快令人瞠目。2005年，美國國家航空航天局（NASA）邀請民間企業投標為NASA的“商用軌道運輸服務”提供解決方案，SpaceX公司攜“龍”飛船參與了競標，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合同，欲使用數枚“獵鷹9號”火箭發射下一代銥星，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。據悉，“獵鷹9號”火箭研發費用約為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發射市場的低成本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。
不過在國內一些航天專家眼中，低成本的SpaceX并不一定能贏得市場的認可。有專家表示，畢竟航天業風險極高，必須有一個可靠準確的發射體系?！爸袊彩墙涍^上世紀90年代才總結出一套標準體系，從而使航天發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>
“發射成本并不是越低越好，航天發射追求的是高可靠性和萬無一失。”北京大學地球與空間科學學院教授焦維新向《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射兩顆衛星，起飛1分40秒后便發生爆炸?！氨M管經濟損失由保險公司支付，但衛星工作卻中斷了，這項損失不比直接經濟損失小。” “企業”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，美國的自由企業制度、成熟的商業運作、精細的項目管理、技術積累和人才儲備使得SpaceX得以成功。同時，這與美國發達的航天工業基礎密不可分。“不單單是資金實力，政府對它的支持也很重要”。
雖然號稱私營公司，但“龍”飛船在研發過程中實際上一直與美國宇航局（NASA）密切合作?；诿绹粩嗟叵蛎耖g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”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”火箭進行發射也是NASA的決定。
中國航天難以復制美國模式
然而，盡管SpaceX的典范作用對中國產生了啟示效應，這種模式卻很難復制。在中國，圍繞運載工具、各類航天器及載人航天的系統都分屬于國有企業，且均經過成功發射的測試，形成了一整套嚴密的技術操作規范。即便在美國，發射系統中的發射場、測控等也掌握在政府手中。
“一次發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發射的規范要求。在航天領域，發射成功率建立在成功發射次數之上。
據焦維新介紹，中國航天發展近60年，自有體系培養的第三代航天梯隊才逐漸成形。通過梳理中國航天發展的脈絡后會發現，中國與美國在航天領域的差距仍然很大，中國尚不具備采用美國模式的條件。
早期的中國航天復制了蘇聯的航天體制，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濟、商業社會的模式大為不同。1956年是中國航天事業的發展元年，當年10月8日，專事航天的國防部第五研究院成立，專門負責導彈研制，隸屬于軍隊系統。1965年，中國對航天部門進行調整，實行軍民分立，航天不再納入軍隊系統占用軍費。進入1980年代，基于與國際接軌和市場經濟的要求，專事航天的部門歷經航天工業部、航空航天工業部、中國航天工業總公司和國家航天局的改組，中國航天工業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、衛星等產品和服務的企業，后者則專事航天軍事應用。
歷經數次改組變遷，中國航天現行體制與當年的國防部第五研究院相去甚遠，形成了軍民并立的分散格局。在市場化高度發達的今天，中國航天體制的弊端開始顯現出來。據悉，目前國內涉及航天事務卻又彼此沒有清晰隸屬關系的單位有數家，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導機構，與NASA統帥的美國航天業大為不同。
權力分散帶來的官僚作風日益彌漫。有關專家透露，即使是一幅高清晰新聞圖片的使用都要經過層層把關審批。在相關部門看來，一張航天科技需要公開的圖片可能含發射場地形地貌，則被要求不得?！俺隽耸抡l負責”成為當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濟的拉動作用，但在中國航天領域，軍民各自形成了一套比較封閉的體系，相互協作也只能由強大行政建立起的“舉國體制”推動和協調。此外，由于中國航天業一向保密嚴苛，直至今日，絕大多數民眾仍分不清“航空”與“航天”，也搞不明白航天用數字編列的院所作用何在。當每次航天發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的根本性轉變。與美國阿波羅登月計劃投入產出相比，中國航天產業收入僅占全球航天業收入的3%。長期受體制限制的中國航天目前僅處于產業化階段，遠談不上商業化。比如衛星研制、發射，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。”一位航天業人士私下表示。
從“神一”到“神七”，目前已有2000多項航天技術成果運用到國民經濟領域，民用航天產值已占到航天總產值半壁江山，投入產出比也達1：10。但從實際情況看，航天技術民用化仍停留在“冠名”階段。2007年成為“中國航天事業合作伙伴”的廣東萬和燃氣熱水器對航天品質管理系統贊賞有加，一直期待從火箭點火系統中轉化能用的燃燒和節能技術，結果最后得到的幾乎是可以對外公開的技術?！凹夹g轉讓費用太高，不是一家民營企業可以承受的?！比f和的負責人事后抱怨道。
參與“北斗”衛星商用的民營企業亦陷入窘境，保密政策過于嚴格令參與運營的民營企業頭疼不已。幾乎所有涉足“北斗”系統的民營企業，在經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業規模的一大問題。
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] wherever the conditions are right, and a universe with billions of galaxies and trillions of stars could be teeming[大量出現] 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[細菌] from Earth, and then we should leave Mars to the Martians. McKay: I would say our responsibility[責任] 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] 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(天體生物學家)：我們能夠讓火星恢復宜居的環境。然而對我來說，我們能夠這樣做這一事實會引發一個問題：我們是否應該這么做？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。火星將成為我們的先例。出于這個原因，我認為我們應當謹慎行事，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?，也沒有可以抵擋輻射的防護層——這些條件確保了這一點。然而，地表之下可能凍結著一些遠古微生物，也許只需要溫度升高即可復蘇。若是如此，它們便能回答宇宙學上最大的疑問：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；在一個擁有數十億星系和數萬億顆恒星的宇宙當中，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。假如我們發現火星上有和地球上一樣的生命，這個問題便無關緊要了，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。
麥凱認為，在這種情況下，我們應該對以往任務中遺留下來的所有太空垃圾進行消毒殺菌。即使數百年后，火星仍有可能被來自地球的細菌污染。然后，我們應該把火星留給火星人。
麥凱：我認為我們的責任是促進火星上的生命繁榮發展。各個行星的生命多樣性是一件好事；我們可以了解很多，認識到以該生命為基礎的另一個生物圈是如何運作的，而這種知識或將顛覆我們對諸如醫學和農業等領域的理解；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(火星協會主席)：我不認為那是一種理性的、合乎道德的見解。道德的標準要以什么對人們有益——而不是什么對細菌有益為基礎。為了將這個地方留給細菌，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、魚類等各種生物構成的奇妙生態系統手中——奪走一個活生生的世界，這種想法簡直是發瘋。
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(天體生物學家)：你會聯想到《世界大戰》那樣的劇情，以及所有令人毛骨悚然的關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。但我相當肯定我們不會遇到這個問題，因為我認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，中國科學院力學研究所研究員、博士生導師、中國科學院院士、力學研究所學術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《早發白帝城》和《楓橋夜泊》解釋古人觀察到的流動現象。探尋日本“3?11”海嘯與福島核泄漏、2011年極端氣象災害和美國航天飛機退役等事件當中的流體力學的原理。
我們身邊存在著很多流體現象，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。氣象災害、日本海嘯、美國航天飛機的退役等均與流體力學有著密切的關系。由此可見，身邊的流體現象無處不在。日前，中國科學院力學研究所研究員，博士生導師，中國科學院院士李家春來到了中國科學技術館與廣大市民面對面，為我們詳細講解“身邊的流動”。
李家春說，2011年，人們遭遇了眾多極端事件：日本海底地震導致海嘯和福島電站核泄漏；澳大利亞颶風、我國干旱與洪水災害等異常氣候問題，而它們的預測、預警都是流體力學的前沿問題。同樣是在這一年，美國航天飛機歷經30年，共飛行130余次，而后全面退役。在其退役的種種原因中，防熱系統不可靠等安全問題，成為流體力學工作者需著力解決的重要課題。
日本海嘯與流體有關
“日本‘3?11’地震海嘯災害傷亡慘重，并導致了福島第一核電站的核泄漏。海嘯災害的發生需要幾個條件，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，因水的積聚和涌升而致災，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，可以預警防災。”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見到九級地震會造成如此大海嘯，防波堤設計標準低。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流非常不規則
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；韓國首爾百年一遇的暴雨；包括北京城區內洪水也相對嚴重。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和自轉、日地關系、太陽活動、火山爆發等自然原因，大氣環流是非常不規則的。近百年來，還有溫室氣體排放等人類活動的干擾，導致全球變暖，大氣活動增強，表現為平均值緩慢上升，在平均值上下幅度的變化也增大?！?/p>
美國航天飛機退役，因為防熱系統沒有設計好
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活動；可以多次往返，似乎可以節省費用；還有一個好處就是回地落點比較準確。李家春說：“航天飛機退役最重要的原因是，防熱系統沒有設計好，維修費用很高，失事率高。兩次失事，一次是挑戰者號，一次是哥倫比亞號，犧牲了14個人，這樣就不經濟、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月，發現號、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?！?/p>
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象呢？在講座上，李家春先以大家耳熟能詳的七言絕句《早發白帝城》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”這順水行舟的流暢輕快則體現出了一種流動現象。
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?！睆谋硪鈦碇v，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原理，”李家春說，“聲波在大氣當中的折射現象。到了晚上，大氣的密度處于穩定層結，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?！?/p>
延伸閱讀
現代流體力學具有先導作用
什么是流體力學？在講座上李家春通過解答流體和固體的差別、流體的相態以及流體運動的表現形式等問題，說明了流體力學是研究流體介質的對流、擴散，以及相伴的物理、化學、生物過程，導致質量、動量、能量輸送的現象。
流體力學既是一門經典學科又是一門現代學科。在17世紀，牛頓基于前人的天文觀測和力學實驗，發明了微積分，并總結出機械運動三大定律和萬有引力定律，發表了著名的《自然哲學的數學原理》一書。由于原理是普適自然與工程各個領域的規律，從而使力學成為自然科學的先導。
自20世紀60年代以來，由于超級計算機、先進測試技術的發展和應用，力學進一步凸顯宏微觀結合和學科交叉的特征，并進入現代力學發展新階段。李家春說：“現代流體力學在航空航天、海洋海岸、環境能源、生物醫學、材料信息等諸多工程領域都發揮著不可或缺的作用。因此，現代流體力學不僅是一門重要的基礎學科，而且在同國家經濟、社會發展相關的各個工程技術領域仍具先導作用?！?/p>
流體力學的發展歷程
流體力學歷史悠久，它發展的過程可以分成四個階段：基于實踐經驗的古代流體力學，基于嚴密數學理論的經典流體力學，基于物理洞察力的近代流體力學，以及基于現代高新技術的現代流體力學。
西方的古代力學，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，而且西方關于定量化的研究做得好，并上升為規律和理論。經典力學則以牛頓力學體系的建立為代表，主要推廣到連續介質――就是像水、空氣這樣的介質。李家春說，經典力學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。而近代力學靠的是物理思想，在1904年，普朗特在海德堡數學會上提出了邊界層理論，解決了阻力和飛機設計問題。如果沒有這個理論，到現在為止，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，“魚嘴分水堤嚴格控制內外江的水沙量，飛沙堰溢洪道控制洪水量，寶瓶口起著一個水庫的作用，這些都是流體力學原理?！?/p>
專家答疑
疑問：要解決比如說航天、海洋、能源、環境問題，是用數學模式、物理思想、現代的超級計算機，還是兼而有之？
李家春：關于研究手段，比如氣候預報，需要的計算量非常大，單純靠手算是不現實的。100年以前曾有一位天文學家預測一個天體運動，推導了100多項，后來發現計算錯了，結果算了一輩子都白算了，所以沒有計算機不行。但是現在有另外一種趨向，就是年輕人不愛學數學、物理，單單學計算機，而且公式不推了，程序也不編了，為什么??？因為有軟件。人家編好程了，他只需要輸進去數據，結果就能出來，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。只有學習了數學、物理中基本的知識以后，才能了解算出來東西對還是不對，了解里邊的規律是什么，才能做到創新。
疑問：如果某些力學問題解決了，它能夠帶動哪些技術，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年雷諾發現的，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象。但解決它又非常難，因它是無規則運動。20世紀以來有很大進步，第一條，就是把它的發生原因、轉變過程、統計規律以及它的結構弄清楚了，但現在要預測它，對飛行力學、空氣阻力、傳熱這些現象十分重要。另一方面，因為它的尺度非常小，計算機能力還不行，現在十的七次方已經很多了，它可能要算到十的十五次方，現在做不到，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象建立模型，進行簡化，計算量就大大減少了。所以還要學普朗特的精神。如果這個問題解決了，實現了減阻，每年都能省很多石油，可以把環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生污染，這是非常簡單的原理。但是處理污染事件時，做環境的人往往只用化學的方法，或者只用生態的方法，而不用流動的辦法。實際上處理蘇州河的時候，做流體力學就考慮利用潮水漲落把污染物帶出去，這能提高效率、節省費用。昆明的滇池到現在為止也沒有解決好。所以光靠化學不行，一定要用流體力學原理，利用或產生流動，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構的新格局
普通高中新課程計劃規定：高中三個年級都開設地理課。高一地理（必修）面向全體學生，為其奠定終身 受用的地理知識與能力基礎。全書以人類為中心，去研究與人類有著密切關系的自然地理環境、人類經濟活動 與地理環境關系、人類面臨的全球性問題和可持續發展問題。高二地理（限定選修），為選學文科學生畢業后 升學深造拓寬文化基礎，它在高一地理（必修）基礎上，把人文地理（狹義）中具有普通應用價值的專題性基 礎知識加以敘述。高三地理（限定選修），則是在高一、高二地理的基礎上，著重闡述地理區域研究基礎知識 和當今中國國土整治與開發的幾個突出問題。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目標。
從可持續發展的角度來認識，高一地理1至4單元側重于探討生態可持續發展；高二地理突出社會可持續發 展和人口可持續發展；高三地理則是讓學生樹立區域可持續發展的觀念。從而結合地理課較系統地向學生進行 可持續發展觀的教育。
二、高一地理（必修）教材體系的新構建
高一地理共10單元，按其內容聯系，又可分為三大部分：第一部分，人類賴以生存和發展的自然地理環境 （1至4單元）；第二部分，人類活動與地理環境（5至8單元）；第三部分，人類面臨的全球性問題與可持續發 展問題（9至10單元）。
自然地理部分，與現行教材相比，最大變化是采取了以“四大環境”取代“四大圈層”的體系，從而更加 突出了“人與環境關系”的主線。人類生存發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 的發展，使人類活動范圍擴展到海洋；航空航天事業的開拓與進步，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“宇宙環境”開始的，因為地球上許多地理事象的發生與地球宇宙環境有關，然 后，再講大氣環境、海洋環境，最后以與人類關系最密切的陸地環境結束。四大環境涉及內容頗多，新教材并 未追求各大環境知識的系統性、完整性，而是從人與環境關系出發，選取那些最具有地理性（體現人地關系） 、時代性（如可持續發展觀念）、實用性（體現地理實用價值）知識，而舍去了那些陳舊的、實用價值小的、 與人地關系不緊密的、屬于地理相關學科或邊緣學科的內容。
人文地理部分，摒棄了傳統的、從部門經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、聯系、休閑等需要的活動。具體確定為：人類的生產活動、人類的居住地——聚落 、人類活動的地域聯系、人類的旅游活動。從而減少了頭緒，突出了人地關系。每個單元都沒有系統地講某種 人類活動，而是緊緊圍繞人類活動與地理環境關系及人文環境而展開。
三、高一地理（必修）上冊各單元知識結構簡析
（一）第一單元 宇宙環境
與現行教材不同之處，它不僅講地球的宇宙環境，還把宇宙作為人類生存和發展的“第四環境”展現在學 生面前。本單元知識可分為三個層次：
第一層次，地球的宇宙環境（地球在宇宙中的位置，宇宙中的天體太陽、月球對地球的影響）。地球是宇 宙中一顆既普通又特殊的行星，地球上好多現象都與其所處的宇宙環境有關。了解它，有助于正確理解地理環 境的發生、發展規律，有利于從深層次認識人類和環境的密切關系。教學時，應通過多媒體現代化教學手段， 向學生展示天體系統的層次結構。弄清天體系統和地球在宇宙中的位置，從而幫助學生樹立辯證唯物主義的宇 宙觀。
第二層次，地球運動的本質屬性及其地理意義。教師只有通過讓學生對地球儀、三球儀的操作演示，通過 “二分日”“二至日”日照圖的讀圖分析，才能使學生真正理解地球運動的特征以及由此產生的地理意義，同 時也使學生的操作、繪畫等動手能力和觀察、綜合分析的能力得到發展。地球的運動是一個很復雜的運動，它 在自轉的同時還繞日公轉?？茖W地講，地球上許多地理現象實際上是地球自轉和公轉共同作用的產物。新教材 與現行教材的區別在于沒有明確標明哪些是地球自轉的地理意義，哪些又是地球公轉的地理意義，而是籠統地 以“地球運動的地理意義”概括起來，其意正是要說明這一點。教學時，為了讓學生確實體會到這一點，可設 問讓學生思考：①假如地球不公轉只自轉，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 自轉只公轉，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展的第四環境來講述的。主要介紹了人類對宇宙的新探索、宇宙資 源開發、宇宙環境保護。教學目的在于讓學生了解宇宙探測意義，喚起學生學科學、愛科學、用科學，立志探 索宇宙奧秘、開發宇宙資源、保護宇宙環境的意識。
（二）第二單元——大氣環境；第三單元——海洋環境；第四單元——陸地環境
這三個單元知識結構大體一致，都可分為二個層次。
第一個層次，是講人類賴以生存和發展的自然環境的組成、結構和特征的。當然三個單元各有側重；第二 單元大氣環境，先講大氣環境組成、結構，再講大氣環境的物理性狀；第三單元海洋環境，主要講海洋環境的 基本特征——溫度、鹽度與運動；第四單元陸地環境則是按陸地環境組成要素——巖石、地貌、陸地水、生物 、土壤來組織材料的。但無論怎樣，這一層次內容的教學，必須把重點放在理清自然環境各組成部分內部、各 組成部分之間的關系上，簡稱“地地關系”。
人地理學角度講，地理環境各要素相互聯系、相互制約和相互滲透，才構成了地理環境整體性。只有搞清 它們之間的有機聯系，才能深刻理解地理環境發生、發展和演化的規律。例如：第四單元陸地環境，離開了各 組成要素內部、各組成要素之間、各組成要素與地理環境之間的聯系，就很難理解復雜的陸地環境形成、發展 與演化。
從可持續發展角度講，只有搞清“地地關系”，找出地理事物發生、發展的變化規律，才能協調人類發展 與環境的關系，走可持續發展道路。例如：第三單元海洋環境，當學生了解了“海氣關系”、“海陸關系”時 ，就會從保護全球生命支持系統的高度，自覺地去保護海洋生態環境。
從認識論的角度講，只有搞清知識間的內在聯系，形成知識網絡，才能變分散的、機械的識記為系統的、 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：第二單元大氣環境，在“大氣 的運動”一節中，只要學生搞清氣溫、氣壓、氣流、天氣狀況幾者關系，搞清影響大氣水平運動的“三力”（ 水平氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力）與風力、風力與等壓線的關系，就不難理解和掌握以后的“氣旋與反 氣旋”、“三圈環流”、“氣壓帶和風帶”、季風環境、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“人地關系”，是各單元的重點。它主要包括自然資源、自然災害、環境保護三個問題。四 大環境不僅是全球生命支持系統的一部分，也是一種有助于人類實現可持續發展的寶貴財富。隨著科學發展， 自然資源的外延越來越擴大。自然資源問題的教學，不僅要使學生了解資源的特性、類型，因地制宜地保護和 合理開發利用各種自然資源，還在于通過教學讓學生樹立科學的“資源觀”，認識并處理好人類活動與資源的 關系，實現自然資源的永續利用。
自然災害，主要有宇宙災害、氣象災害、海洋災害、地質災害等，新教材著重講氣象災害與地質災害。通 過教學，不僅要使學生了解各種災害發生的原因、時空分布、危害、防御等，更重要的是教育學生樹立“災害 意識”，確立預防為主、加強監測預報的觀念，而且還要培養學生正確的應災能力，包括應災心理和應災行為 的培養。自然環境本身帶來的災害固然可怕，但人類違背自然規律的活動造成的“環境問題”更可怕。
目前環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活動，導致生態環境破壞和改變；一類 是由于人類消費活動，造成的環境污染。通過教學，我們不僅要對各種環境問題產生的原因（如環境污染的污 染源、污染物、污染原理等）、危害、對策讓學生了解清楚，更主要是教育學生摒棄“人地對立”（如“人主 宰自然”、“人定勝天”等）的傳統“人地觀”，樹立“人地協調”的科學“人地觀”。培養學生參與意識， 自覺參與當地環保工作，展示地理之價值，教育學生講究“環境道德”，讓他們從自身作起，從小事作起，從 現在作起，養成良好的保護環境的道德風尚和行為習慣，自覺與破壞環境的不道德行為作斗爭。
（三）第五單元——人類的生產活動
人類生產活動是人類最基本的活動，其中工業和農業又是人類生產活動中最基本的部門。本單元共11節， 前5節講農業生產活動，后6節講工業生產活動。但無論工業還是農業，都不是講生產活動本身，而是突出講地 理環境對農業生產活動的影響、講人類生產活動與地理環境的關系及相應的人文環境。這部分內容，無論農業 還是工業主要分兩個層次。
第一層次，農（工）業的區位選擇。本質上講，就是地理環境對農（工）業生產活動的影響。教學時，注 意把握具有遞進關系的四個問題：①影響農（工）業的主要區位因素；②影響農（工）業的主導區位因素；③ 農（工）業的區位因素不是絕對的、一成不變的，隨著社會生產力的發展和科學技術的進步，各區位因素對農 （工）業區位影響在不斷變化著；④農（工）業區位選擇，既要注意經濟效益，同時又要考慮社會效益、環境 效益和生態效益，這是可持續發展戰略的要求。
與之相應，組織學生進行如下活動：①聯系實際搞社會調查，對當地（或某一地區）農（工）業區位因素 或區位選擇作出分析與評價；②根據不同農（工）業部門不同特點和區位因素對生產的影響，選擇主導區位因 素；③具體情況具體分析，按照經濟效益、社會效益、環境效益三兼顧的原則進行農（工）業區位的選擇實踐 。
虛擬經濟哲學革命溫特爾模式物質能量與信息相對論
文章簡介：本文探討新經濟與全球化的關系，分別對新經濟和全球化進行了定義。對于信息產業的本質，是從物質，能量，信息的差別談的。信息的本質是以二進位（0和1的組合）來表示客觀存在，可以與電的開關相一致，所以可以達到光速，因此超越了物質特性，在本質上就是全球化的。文章歸納了信息社會的12個內容，指出它不是工業革命的繼續，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，中國人具有發展新經濟的巨大潛力。在新經濟和全球化基礎是的國際競爭具有相當大的風險，包括兩極分化，宏觀經濟不穩定，影響國家經濟安全和等，需要我們認真研究對策，不可盲目和天真。
一。作為生產方式的“新經濟”：
新科技革命與全球化的結合
1。全球化與新經濟的定義
經濟全球化是指“通過貿易、資金流動、技術涌現、信息網絡和文化交流，世界范圍
的經濟高速融合”（IMF）。“各國經濟已不僅僅是一般地相互聯系和交往，而是互相交織，互相融合，以致形成了全球經濟的整體”。
狹義的“新經濟”有三重含義：第一，指90年代低通貨膨脹和高經濟增長并存的，美國經濟的特殊繁榮；第二，將美國經濟增長的原因歸結為網絡，“新經濟”就獲得以下含義：以網絡和信息技術為基礎的新科技革命。第三，指以信息技術全面改造傳統產業，提高全社會生產率。廣義新經濟包括三個層次的概念：
第一，新經濟不限于生產力范圍，而是生產方式的整體，包括生產力和生產關系兩個方面：
生產力指以新科技革命為基礎的社會生產力，在90年代以來的新科技革命，則是以信息產業為核心，以網絡為基礎的。生產關系指美國所推動的，資本主義生產方式的全球化。
這樣定義新經濟，就與流行的所謂“新經濟＝＝信息產業（IT），加上全球化”說法相一致了。
第二，目前的“新經濟”是90年代在美國首先產生，并影響全世界的。以美國的新經濟為出發點，考慮世界經濟的全球化，意味著更加強調“國際領導者”（目前是美國），包括美國文化，價值觀念，政府和企業，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：一方面是市場經濟發展的自然歷史過程，一方面是資本主義生產關系，特別是作為霸主的美國，它的利益和戰略的產物。這對于全面分析全球化的性質，新經濟的性質，及其雙重后果，對于我國的應對戰略，有重要的認識論意義。
第三，新經濟是一個歷史概念。廣義的“新經濟”，應該從近代資本主義生產關系開始。所謂“新”，是相對于傳統的自然經濟，地域性經濟，農業社會而言，可以理解為整個近代資本主義生產方式，在數百年內，經過3次大的科技革命，將生產力和生產關系不斷向全球擴張的過程。
2。4次科技革命與社會形態
我們把“新經濟”理解為近代資本主義生產方式，其生產力的核心部分是新科技革命，這是毫無疑義的，因為科學技術是第一生產力。一場大的科技革命，需要相當長的醞釀期，積累到一定程度以后，才以爆發的形式形成現實生產力，發展到成熟階段時，下一次新科技革命又在醞釀。近代以來已經出現3次大的科技革命，目前正在出現第4次。
每一次“新經濟”的大飛躍，都有一些重要的標志：
第一，作為“新經濟”的生產力方面，我們強調它的科技革命基礎：4次大飛躍是以4次科技革命為標志的。第一次科技革命的醞釀期，可以追溯到地理大發現，17世紀產生于英國，在18世紀成為現實生產力，19世紀在美國形成最大規模的超級產業。第二次科技革命醞釀于19世紀末20世紀初，人類發現了原子能和電子，形成了電力，航空，鋼鐵，汽車等超級產業。第三次科技革命從二戰以后開始，形成新的超級產業群。在20世紀90年代以美國普及計算機和互聯網為代表，正在醞釀第4次科技革命。為什么把計算機和互聯網作為下一次新科技革命的開端,而不是上一次的延續？因為，第3次科技革命及其形成的產業群，仍舊屬于工業革命范圍，形成的是現代工業化社會。而以計算機，互聯網和生態技術，基因技術為開端的新科技革命，代表的是21世紀“信息和智能社會”。
人類可以利用的最重要資源是物質，能量和信息。在農業社會中，人類把物質加工成人力工具；在工業社會，能量被轉化為動力；到了信息社會，信息成為最關鍵的戰略資源，將被轉化為現代的智力工具。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，實施生產的自動化，智能化，人工智能是高科技的核心。所以準確地說：未來社會應該是“信息和智能社會”。要實現智能革命，就要更加深入地了解人的大腦。21世紀的主導科學將是生命科學。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，信息技術，生態技術和智能技術為基礎的，新的智能生產力。信息產業，可以看成是從工業社會向“信息和智能社會”發展的過渡階段。
第二，每一次新經濟的飛躍，都有生產工具創新，并發現新的能源動力。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50年代就被發明出來。第一代計算機是用于信息處理的大型計算機，用于國防和學術研究；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網結合，形成交互式網絡，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，是生物技術和人工智能的結合，產生智能機器人，達到人機共同思考。
第三，人類對于物質層次的認識和利用，日益深入。蒸汽機是以熱力為基礎的，人類對于物質的利用在從分子層次；石油的分解和提煉，是以化學為基礎的，人類對于物質的利用在原子層次，物質的化合與分解，是原子結構的改變；電力的產生，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果，質子，光子和中子，都被人類所利用，以產生新的巨大能量。
第四，人類對于外部環境的利用日益廣闊，體現在對于空間和時間的認識和利用。第一次新科技革命，是以牛頓的機械時空觀為基礎的。新大陸的發現，極大擴展了人類活動的空間，航海技術使得世界性的征服殖民地和移民成為可能，而美國鐵路網的建立，才真正為大工業創造了廣闊的國內市場。第二次新科技革命，是以愛因斯坦相對論為基礎的，空間和時間是相對的，可以互相轉換的。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，電磁技術已經達到了這一點。噴氣式飛機，高速公路和鐵路，縮短了人類環繞地球的時間。3顆同步運行的衛星，即可以實現全球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，為人類社會關系的全球化，提供了無與倫比的技術手段。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，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。1964年電子計算機在美國誕生，1965年出現了商用衛星。60年代末期互聯網始于美國，80年代應用于軍事，教育，科研和教育，90年代應用于商業。2000年有1億臺電腦入網，用戶有5億人。2001年全球信息產業的產值達到3。5－5萬億美圓，成為世界第一大產業；到2016年，全球有2億人在家里上班。是網絡，把地球變成一個“地球村”。只從這一點，就可以看出新技術革命和全球化的關系，可以說，以信息革命為基礎的新科技革命，提供了經濟全球化的技術手段，造就了全新的，強大的生產力基礎；而全球化則是資本生產關系的全球化，二者相互促進，相輔相成，構成世紀之交世界性的全新生產方式。
第五，每一次新科技革命，都有尖端技術和先導技術，并產生完全新型的系列產業。第一次科技革命是蒸汽機，紡織機，電動機，發電機。第二次科技革命的尖端技術在20世紀40年端，在70年代成熟，包括：微電子科學和電子信息技術，空間科學和航空航天技術，光電子科學和光機電一體化技術，生命科學和生物工程技術，材料科學和新材料技術，能源科學和新能源，高效節能技術，生態科學和環境保護技術，地球科學和海洋工程技術，基本物質科學和輻射技術，醫藥科學和生物醫學工程。成熟的標志是全球技術創新，并使之轉化為產業，至今方興未艾。
所謂完全新型的產業，首先是因為其全新的理論基礎和概念，如20世紀的基本粒子物理，天體物理，核物理，電子學，遺傳學，分子生物學，數理邏輯學科。未來21世紀新科技革命的尖端技術是計算機技術（包括多媒體，芯片，機器人和軟件等），激光技術，生物工程。理論基礎則是現代遺傳學等。未來新技術產業對于自然資源的高度依賴，轉變為對知識和技術的高度依賴。
第六，每一次新科技革命，都產生新的國際關系和戰略格局。總有一個國際領導者推動全球化和自由化，這個領導者往往是新科技革命發源地，具有最先進的科技創新能力，建立了最強大的超級產業，集中了全世界大部分工業生產和財富，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者，與領導者進行對抗。17世紀的國際領導者是荷蘭，挑戰者是英國；18－19世紀的國際領導者是英國，挑戰者是德國和法國；20世紀國際領導者由英國向美國轉換，國際挑戰者先是德國，二戰后是蘇聯和日本。經過數十年的較量，特別是美國新科技革命的成功，取得了更加強大的國際領導者地位，成為全球化的主要領導者和推動者。
第七，每一次新科技革命，都促進生產關系的革命，產生新的經濟體制，新的政府和法律政治制度，新的企業組織和產業結構?？偟姆较?，是向著自由化，民主化，全球化的方向發展，個人的權利得到尊重，個人的創造力得到發揮。
前3次科技革命，都屬于工業革命范疇，而目前開始的第4次科技革命，則屬于信息革命范疇，所創造的將是21世紀的信息和智能社會，對于人類生活的影響將是根本性的。
二。信息產業與全球化
1。信息的特殊性。
信息與物質，能量并列的第三種客觀實體。信息是具有客觀內容的，這個客觀內容是可以轉化二進位數字的，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，物質和能量可以互相轉化。當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，不占據空間的物質，而且質量無窮大的物質，或者說物質不可能以光速運動。以二進位制將信息數字化，化為“0和1”兩個數碼，稱為“比特（BITS）”，與電路的“開和停”正好一致，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。以光速運動的數字化信息（BITS），既不是物質又不是能量，而是獨立分為一類，它就是以光速運動的某種“內容”，可以超越空間的限制，并產生超越時空限制的產業－－－－信息產業，在本質上必然是全球化產業，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，擁有的訪問人數或者眼球數越多，就意味著企業的潛在利益渠道越廣”。美國邁克爾說“注意力經濟”是一種遠期資產。在信息社會中，特別是在網絡虛擬經濟中，信息以爆炸方式增長，信息已經是一種充實的經濟資源。稀缺的只是人們的注意力，即期內客戶對企業及其產品的注意程度－－－注意力或者心靈占有率MIDSHARE，是企業的無形資產。注意力經濟，是以最小成本吸引客戶注意力，培養潛在消費群體，獲得未來的無形資本。注意力是企業在網絡經濟中把潛在購買力變現的前提和關鍵，是虛擬經濟的“硬通貨”。
2．信息產業。
狹義的“新經濟”主要指信息產業?！靶陆洕碑a品與傳統產品的最大不同，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”，而其復制成本或者邊際成本非常之低，在復制軟件方面幾乎為零，必要時，信息產品的生產者可以大幅度降價，保持龐大的銷售市場，排擠競爭對手。因此，市場的規模和占有率是第一位的，生產者必須進入國際市場。
信息產品的技術標準最為重要，生產者可以通過技術標準的推廣，通過技術和設備的專用性，把用戶長期鎖定于自己的產品系列中。技術標準必須是國際通行的。信息產業的基礎設施－－－－互聯網是國際性的。
信息產業起源于本世紀初的無線電，發展于50－60年代的半導體。日本在70－－－80年代成功地把美國創造的電子技術，轉化為民用產品，在家用電器和汽車等方面，對美歐占據了優勢。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項關鍵技術中，有39項同時領先于美國和歐洲，有38項水平相當，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；日本的半導體產業在80年代中期，占據了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品低25－－－30％。60年代日本的主流產品是鋼鐵，船舶；70年代是家用電器，80年代是汽車和電子產品，皆領先于世界潮流。然而在90年代的主流產品個人電腦，通信產品，和信息產品的增殖方面，卻明顯缺乏日本的參與。在80年代末期，日本信息產業戰略有誤，把主要研究力量投入大型電腦，而美國卻大力發展起個人電腦。
由于在領先產品方面的錯誤選擇，日本就難以參與新經濟的國際化分工。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一般電腦部件，韓國生產半導體的記憶部分，中國大陸和東南亞生產低檔的周邊產品，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平臺周期性提升電腦性能和硬件需求，進而與英特網等最新的信息技術結合，左右了全球信息產業的發展進程，形成了“溫特爾平臺”：微軟的視窗操作系統和英特爾芯片結合，微軟占領了90％以上的軟件市場，英特爾占領了80％的芯片市場。
關鍵詞： 控制系統； 激光測距； 望遠鏡； 位置二次閉環； 混合PID
中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻標識碼： 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
為了發展和拓寬空間目標監測的新技術方法和手段，中科院云南天文臺新建一臺53 cm收發分光路的雙筒激光測距[1]望遠鏡，以解決現有的1.2 m收發共光路望遠鏡[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，并可聯合1.2 m望遠鏡實現空間目標的多角度多方位測量。此外53 cm激光發射望遠鏡可為1.2 m望遠鏡成像系統提供激光導引星[5]，可進一步提高空間暗弱目標的探測能力，而成像系統對空間目標的可視性，在很大程度上也能提高衛星激光測距（Satellite Laser Ranging）成功的概率。
衛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星之間的往返時間間隔，從而算出地面觀測站到衛星的距離。自1997年美國航空航天局的John J. Degnan提出高重復率的激光測距[6]，kHz衛星激光測距技術在近幾年迅速發展起來，它通過高測距頻率來增加觀測數據以提高標準點精度。大型的激光測距望遠鏡是集光機電于一體的綜合系統，伺服控制系統是其重要組成部分，直接影響了望遠鏡的跟蹤精度、激光光束的指向和數據的測量采集。對于低軌衛星的跟蹤，伺服系統應具有較好的快速響應能力；對于高軌衛星的跟蹤，伺服系統則應具有較好的低速平穩性。而伺服控制系統涉及到電力電子技術、電機技術、控制技術、計算機技術、通信技術等多技術領域[7]。在驅動方式上，Keck，LAMOST等采用摩擦傳動[8]，而VLT，Subaru等采用直接驅動[8]，國內大型望遠鏡一般采用控制簡單、低速穩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、工控機或專用的運動控制器。集驅動、保護、功率轉換拓撲的智能型功率模塊紛紛涌現，特別是集成智能功率模塊IPM逐漸成為了伺服驅動的優選方案。在望遠鏡的控制算法上，最普遍的是各種改進的PID算法，如變結構PID[9]、內模PID[10]等，還有速度滯后補償、速度前饋、動態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激光測距望遠鏡的控制系統，采用力矩電機直接驅動的方式，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，應用位置二次閉環和帶前饋補償[16]等多種PID的控制算法，現已完成了控制系統的集成設計和控制軟件的開發，并進行了基本的調試和測試工作。1 控制系統的總體方案
1.1 53 cm激光測距望遠鏡概述
53 cm kHz激光測距望遠鏡主要由機械系統、光學系統、檢測系統、控制系統四大系統組成，總重約4 200 kg。該望遠鏡采用地平式結構，機械部分主要由激光發射望遠鏡主鏡筒、激光接收望遠鏡主鏡筒、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。光學系統分激光發射光路和回波接收光路，發射光路采用反射式系統，激光經過二次擴束發射，接收光路采用RC系統，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，一路為監視終端。激光器采用Nd：YAG激光器，經單脈沖選擇三級放大和晶體二次諧波倍頻后產生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、輸出信號強等優點。為確保機架運行的安全性，軸系上設置了三重限位保護，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由力矩電機、伺服驅動器、運動控制器和工控機等組成。
1.2 技術指標
建立53 cm激光發射雙筒望遠鏡的伺服控制系統，并與1.2 m望遠鏡聯合實現具有跟蹤測量快速空間目標能力的多功能同步觀測系統。該伺服系統帶有電流環、速度環和位置環的三環反饋，并采用CCD圖像跟蹤的光電閉環得到目標的實時脫靶量，以使該望遠鏡能快速高精度跟蹤400 km以上的空間目標，跟蹤精度需優于10″。根據400 km以上空間目標的運動特性，為該望遠鏡制定表1所示的指標。
表1 控制系統的精度指標
1.3 系統方案
圖1為控制系統的結構框圖。相比于摩擦傳動，直接驅動具有高傳動剛度、少摩擦、易安裝調試和弱非線性特性等優點[17]。故53 cm雙筒望遠鏡的方位軸和高度軸都采用直流力矩電機直接驅動的方式，解決了高低速比差問題，同時減少了機械傳動系統造成的傳動短周期誤差，得到較好的跟蹤平穩性。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200倍頻細分后分辨率可達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，輸出標準的-10～10 V的工業控制信號，通過伺服驅動器控制電機的轉速和轉向，來驅動望遠鏡在高度軸和方位軸上的運轉。
圖1 控制系統結構圖
為達到精確穩定控制，引入三環反饋和CCD圖像閉環[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，經過調節器輸出速度給定，同時位置信息傳送回工控機進行決策和顯示，而速度反饋形成內反饋，與給定的速度值進行比較調節，輸出調節電流。CCD圖像閉環采用CCD對空間目標成像，送回工控機作圖像識別與跟蹤處理，實時計算目標脫靶量，并傳送給控制系統，對望遠鏡進行跟蹤指向修正。對于空間目標檢測，考慮夜空背景和衛星的成像特性，先對數字圖像濾波增強，提高目標與背景的對比度，再采用自適應局部閾值分割，檢測出目標，然后計算目標的質心，并得出質心與視場中心的位置偏差。對于空間目標跟蹤，既要保證目標檢測與脫靶量傳送的實時性，還要設計目標運動軌跡的預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典實用的PID控制。而在高速高精度的望遠鏡控制中，傳統的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，故考慮采用復合控制，即在閉環的基礎上，引入一個輸入信號或擾動信號的前饋通路，這既不影響系統的穩定性，還使系統近似等效為高階無差系統，從而提高系統的跟蹤精度。
同時本文還在復合PID的基礎上應用多種PID，即混合PID算法，以進一步提高該控制系統的跟蹤性能如圖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，對系統穩定性不影響；[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）]為調節后的控制量。
[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 控制系統的關鍵技術點
2.1 控制機箱的集成設計
系統集成（System Integration）是通過結構化的綜合布線系統和計算機網絡技術，將各個分離的設備、功能和信息等集成到相互關聯的、統一和協調的系統之中，使資源達到充分共享，實現集中、高效、便利的管理。系統集成實現的關鍵在于解決系統之間的互連和互操作性問題，它是一個多廠商、多協議和面向各種應用的體系結構。
該望遠鏡的控制機箱主要集成了一臺運動控制器、兩臺伺服驅動器、散熱風扇等，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，控制機箱的基本結構如圖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結構使用浮點數字信號處理器（DSP）技術加上一個現場可編程門陣列（FPGA）。FPGA負責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。伺服驅動器采用Xenus的XTL系列，根據電機型號選配不同帶負載能力的驅動器。工控機通過USB 1.1與控制器通信，傳送控制信號和數據信息，控制器輸出工業標準的±10 V模擬控制信號給伺服驅動器，經過功率放大驅動電機運轉。編碼器讀出頭提供編碼器信息給伺服驅動器，經過差分得到速度信息形成速度反饋。同時驅動器把位置和速度信息都傳送給控制器，完成位置閉環和控制算法。另外電限位開關采用霍爾器件，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 軟件設計
運動控制器通過Mint語言實現運動控制。Mint是一種結構化的、基礎的、根據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雙筒光電望遠鏡控制軟件對伺服控制系統中各硬件設備進行管理控制，并在人機界面中顯示其運行狀態，保證各設備工作的穩定性和實時性，同時還可對控制系統內異常情況及時處理并報警?？刂栖浖\行環境為Windows操作系統，采用的開發環境是Visual C++ 6.0。軟件的主要功能包括衛星預報、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
衛星預報功能是根據衛星星歷數據對當天經過測站上空的衛星進行總體預報，生成可觀測衛星列表，以幫助觀測人員合理規劃衛星的觀測計劃，然后根據各衛星星歷數據計算出各衛星在方位和高度上的預報位置，即望遠鏡跟蹤引導數據。
實時控制功能是通過工控機與控制系統的數據交換，實時控制望遠鏡實現對衛星的跟蹤測量。工控機將引導數據發送到控制系統，控制望遠鏡機架的運動；同時控制系統將編碼器數據、硬件狀態等信息發送給工控機。使用定時精度較高的多媒體定時器[20]作為軟件內部的定時。通過多線程為不同任務分配合理的優先級，實現對資源的合理利用。
信息顯示功能實現望遠鏡運行中信息的顯示，利用GDI繪圖，將編碼器數值、預報數據曲線、傳動誤差曲線和各分系統狀態等及時顯示出來，反饋給觀測人員，還對系統內的異常情況及時報警。
2.3 自定義通信協議
對于望遠鏡機架的運動控制，有兩種方案：一種是通過計算機高級語言調用ActiveX控件實現運動控制，而運動控制器只需配置控制系統的參數；另一種是在運動控制器內直接進行嵌入式開發，計算機控制軟件主要負責任務管理和傳送引導數據。經過試驗，運動控制器對高級語言控制指令響應較慢，實時性很難保證。故本文采用第二種方式實現望遠鏡機架的運動控制。上位機程序只需將方位軸和高度軸位置信息發送給控制器，而實時的運動控制由下位機實現。NextMove提供了一個專用的COMMS通信數組，通過讀/寫該存儲單元來實現上位機和下位機的數據交換。計算機可調用ActiveX來實現對COMMS數組的讀寫操作。COMMS數組包含99個讀寫單元，其中前5個元素發生變化，會觸發相應的COMMS事件，計算機或運動控制器中相應的程序能實時響應這些事件。制定上位機對下位機管理控制的通信協議如下：
（1） Comms（1） = 1，打開驅動器使能；
（2） Comms（1） = 2，打開驅動器使能并準備運動；
（3） Comms（1） = 3，運動停止；
（4） Comms（1） = 4，運動停止并關閉驅動器使能。
經試驗，上位機以20 Hz或10 Hz的控制頻率實時傳送引導數據給運動控制器，運動控制器實時響應執行運動指令，實測的誤差數據總存在一個固定偏差。本文采用預報數據超前載入和自內插的方案以克服通信延時帶來的穩偏，并使用硬件自定時執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，從而實現真正的實時精確控制。為此制定的引導數據通信協議如下：
（1） 預報位置傳送到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，兩個預報位置間的間隔暫定為100 ms。
圖5 引導數據通信協議示意圖
（2） 98和99兩個單元用來存儲控制系統當前執行到第幾組第幾個單元的預報數據，以便工控機讀取運行狀態并執行校驗工作。
（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組預報數據（2 s的預報數據）。
（4） 當運行到A1，H1段的第3個數據時，即第一段開始200 ms后，此時Comms（98）=20， Comms（99）=60，控制器置Comms（3）=2，觸發上位機發送A2，H2段的20組數據。
（5） 當運行到A2，H2段的第3個數據時，即第二段開始2 s后，此時Comms（98）=40， Comms（99）=80，控制器置Comms（3）=1，觸發上位機發送A1，H1段的20組數據。
（6） A1，H1段和A2，H2段輪流存儲預報數據，由運動控制器執行基于加速度預測的內插算法，50 ms或100 ms一個控制量，并作實時的速度控制和調節。
（7） 在預報數據結束時，計算機發送結束指令，控制器清空數據，停止運動。
2.4 位置二次閉環與混合PID
該望遠鏡控制系統的位置環主要采用帶前饋補償的PID算法，速度環采用帶濾波器的PI算法。由于機架是大慣量負載，在望遠鏡已運行到初始預報位置正在待命的情況下，突然起動會產生一個較大的滯后，而在衛星預報時刻已開始的情況下，望遠鏡以較大的速度運行到預報位置會產生一個較大的過沖。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。即在帶前饋的PID的基礎上，再添加一次位置閉環，以克服上述的滯后與過沖現象帶來的累積誤差。式（6）、式（7）是速度實時調整的基本表達式：
[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]都為調節參數，應取值較小，尤其是[β]，過大會引起運動的振蕩，具體應由多次的調試結果來確定。
實際應用中，本文采用混合PID的方式，即融合多種PID算法來保證望遠鏡運行的跟蹤精度、快速性、穩定性和安全性，如變增益的PID、積分分離的PID、帶死區的PID、帶速度和加速度限幅的PID等。當衛星預報的起始時間未到，望遠鏡有足夠的時間提前運行到起始位置；而當預報的起始時間已經開始，望遠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[ΔPk]的大小而自動調整，當[ΔPk]較大，[α]可取稍大一些，以加快收斂速度，[β]直接取0，以免超調量過大和系統的穩定裕度降低；當[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[ΔPk]小到一定程度，[α]和[β]可直接取0，設置一個死區，消除由于頻繁動作所引起的大機械系統的振蕩。同時望遠鏡的速度和加速度應作必要的限幅，以避免個別奇異數據點或者噪聲對跟蹤過程的過大影響，并確保運動的平穩性和安全性，以免飛車事故造成不可修復的破壞。具體的調節算法如下：
（1） 根據實際情況，確定誤差閾值[E]和[e]；
（2） 當[ΔPk>E]時，[α=α1]，[β=0]；
（3） 當[e
（4） 當[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的運動參數，可根據衛星軌道預報數據事先獲得，并隨空間目標不同而不同。實際上控制系統由于自身機械特性等因素無法達到無差的理想狀態，位置二次閉環和混合PID的控制策略不僅滿足該望遠鏡跟蹤空間目標的實際需求，還在一定程度上彌補了控制系統自身的不足。
3 測試實驗與結果
3.1 系統調試曲線
本實驗分別給出速度環和位置環最終的響應曲線。先不考慮位置環，直接在速度環施加一個幅度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曲線。
由于方位軸承受著整個望遠鏡機架的重量，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，而高度軸的慣性力矩較小，其快速性較好。速度環的作用是調節望遠鏡的動態性能并抑制外界干擾從而保證望遠鏡運行的平滑性，因此在速度環的調節中，應盡量提高各軸系的快速性，同時確保速度響應曲線的平滑性，以避免電機振動。在位置環上，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。
可見方位軸超調量約7%，上升時間約96 ms，調整時間較長；高度軸超調量約7%，上升時間約54 ms，調整時間較短。增加積分系數，會減小穩態誤差，但也會增加上升時間，還會引起系統的不穩定，因此積分增益一般取較小。而合適的前饋量既能提高響應速度，又能減小穩態誤差。實際調試中，階躍響應曲線僅作參考，需根據實測跟隨誤差進行參數調整。
3.2 實測系統誤差及比較實驗
本實驗分別測試了望遠鏡在3 （°）/s和0.05 （°）/s勻速下的系統跟隨誤差（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，而方位軸大部分情況也能保持在±6″之內，基本能滿足要求。由于直驅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 系統跟隨誤差
系統跟隨誤差是系統計算位置設定值與實際位置值的偏差，反映了系統自身的性能，而跟蹤誤差在此可認為是預報數據的位置設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星GLONASS?118（約19 140 km）和低軌激光測距衛星GRACE?B（485～500 km）的軌道信息作為引導數據，來驗證望遠鏡的快速跟蹤能力和低速平穩性，并比較了單一的復合PID和位置二次閉環（結合混合PID）的運行效果，圖8截取了穩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經過天頂區域，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）并此起彼伏。在位置二次閉環與混合PID的共同作用下，方位軸跟蹤誤差的均方根仍在2″以內，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，峰峰值為7.0″。
此外強電等外界干擾導致通信數據的誤碼、衛星預報數據出錯或人為的失誤，都會造成望遠鏡機架的劇烈運動，這一方面會導致跟蹤誤差急劇加大甚至目標丟失，另一方面會對望遠鏡造成一定程度的損害。
為進一步說明位置二次閉環與混合PID的實際作用，在中軌激光測距衛星LAGEOS?1（約5 850 km）的預報數據中人為添加一個0.5°的強擾動，即引導數據中存在一個奇異點。
如圖9所示，改變[k]時刻的預報數據，會引起[k-1]，[k]和[k+1]時刻的抖動，可以看到：在單一的復合PID下，擾動嚴重影響了跟蹤效果；在位置二次閉環與混合PID下，方位軸和高度軸分別在1 s和0.4 s之內重新回到±5″以內的誤差范圍，具有一定的自修正能力。
4 結 語
本文根據53 cm雙筒激光測距望遠鏡的科學使命和技術指標，設計并實現了其控制系統。文中概述了系統的整體方案，包括結構組成、控制算法等，還論述了控制機箱的集成設計和軟件實現。提出自定義的通信協議以優化望遠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，并兼顧了控制系統的快速性、穩定性和安全性，提高了望遠鏡實際的跟蹤性能。
本文最后給出了控制系統速度環和位置環的調試曲線以及系統的跟隨誤差曲線，并對望遠鏡在衛星預報數據的引導下進行了跟蹤誤差的測量，還給出了單一的復合PID和位置二次閉環（結合混合PID）的比較實驗。
圖8 高低軌衛星跟蹤誤差比較
圖9 強擾動下衛星LAGEOS?1跟蹤誤差
實驗結果證明：在跟蹤400 km以上的快速空間目標時，方位軸跟蹤誤差基本在±5″范圍內，其誤差均方根在2″以下，高度軸跟蹤誤差基本在±3″范圍內，其誤差均方根在1″以下；在跟蹤中高軌等慢速空間目標時，方位軸和高度軸的跟蹤精度（誤差均方根）約在1″之內；該望遠鏡具有跟蹤400 km以上空間目標的能力，同時具有較強的魯棒性和抗干擾能力。鑒于地平式望遠鏡在天頂區存在一個盲區，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辨識的方法對該控制系統進行建模仿真，對現有的控制算法作進一步的優化和改進，以獲得更高的跟蹤精度。
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