时间：2023-09-20 16:02:51
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8月13日，美国总统竞选人罗姆尼在佛罗里达州进行演讲时嘲讽说，美国的火星探测器刚登陆火星，希望计划登月的中国人好好看看“我们43年前就插在那里的美国国旗”。“中国航天企业如果真的像专家说的那么样有底气，为什么不马上派航天员去那儿？”这或许是美国私人航天公司SpaceX成功发射“龙”飞船以来，最直接刺痛中国航天的评价。 6月16日，神舟九号飞船在酒泉卫星发射中心等待发射升空。
“‘龙’飞船的成功对中国的航天部门确实有一定的冲击，但绝不能说是美国航天商业公司打败中国航天的‘举国体制’。”航天专家庞之浩认为，完全把中美航天发展差距归因于体制问题有些言过其实。
“龙”飞船如何炼成
尽管只是一次测试飞行，“龙”飞船成功后各方不吝溢美之词，被称为终结“政府航天史”的太空探索技术公司（SpaceX）成为继美国、欧盟、日本、俄罗斯与中国之后，第六个拥有与国际太空站对接能力的实体。
Spacex创建于2002年，创始人穆斯克（Elon Musk）走的是典型美国创业者路线：进入斯坦福大学攻读学位的第二天就退学，然后创立了网络支付公司贝宝（Paypal），成为亿万富翁后转而投向私营航天事业。该公司发展速度之快令人瞠目。2005年，美国国家航空航天局（NASA）邀请民间企业投标为NASA的“商用轨道运输服务”提供解决方案，SpaceX公司携“龙”飞船参与了竞标，此时公司员工仅有160人。2006年，它击败了其他竞争对手获得NASA认可，如今员工已超过1000人。2010年6月，SpaceX获得了最大的一笔商业合同，欲使用数枚“猎鹰9号”火箭发射下一代铱星，总价值达4.92亿美元。
SpaceX成本控制上的成功给许多航天大国带来冲击。据悉，“猎鹰9号”火箭研发费用约为3亿美元（约合19亿人民币），比美国政府航天部门研制的与中国长城公司竞争商业发射市场的低成本EELV火箭及欧洲宇航局的“阿里安-15”火箭的成本低成了不止一个数量级。要知道，中国的神舟飞船花费约30亿人民币，日本的HTV货运飞船花费为8.5亿美元，欧洲的ATV货运飞船研制则花费约19亿美元。
不过在国内一些航天专家眼中，低成本的SpaceX并不一定能赢得市场的认可。有专家表示，毕竟航天业风险极高，必须有一个可靠准确的发射体系。“中国也是经过上世纪90年代才总结出一套标准体系，从而使航天发射的可靠性大幅度提高，也基本杜绝了以前的一些火箭故障。”
“发射成本并不是越低越好，航天发射追求的是高可靠性和万无一失。”北京大学地球与空间科学学院教授焦维新向《凤凰周刊》记者举例道，1990年日本图便宜选择欧洲阿里安运载火箭发射两颗卫星，起飞1分40秒后便发生爆炸。“尽管经济损失由保险公司支付，但卫星工作却中断了，这项损失不比直接经济损失小。” “企业”号航天飞机，又译“进取”号航天飞机，是美国航天飞机计划中的第一架原型机。2011年，美国航天局将其从航天飞机机队退役，集中精力发展可超越近地轨道的下一代太空飞船。
在焦维新看来，美国的自由企业制度、成熟的商业运作、精细的项目管理、技术积累和人才储备使得SpaceX得以成功。同时，这与美国发达的航天工业基础密不可分。“不单单是资金实力，政府对它的支持也很重要”。
虽然号称私营公司，但“龙”飞船在研发过程中实际上一直与美国宇航局（NASA）密切合作。基于美国政府不断地向民间提供新的机会、培育来自民间的力量，才使得SpaceX成为后起之秀。作为NASA“商用轨道运输服务”项目中的一部分，“龙”飞船主要用于向国际空间站运送人员和物资，使用“猎鹰-9”火箭进行发射也是NASA的决定。
中国航天难以复制美国模式
然而，尽管SpaceX的典范作用对中国产生了启示效应，这种模式却很难复制。在中国，围绕运载工具、各类航天器及载人航天的系统都分属于国有企业，且均经过成功发射的测试，形成了一整套严密的技术操作规范。即便在美国，发射系统中的发射场、测控等也掌握在政府手中。
“一次发射成功不能说成功率为100%，但一旦失败则意味归零。”焦维新对此解释道，“龙”飞船的测试飞行成功，并不代表其可靠性和成功率达到了商业发射的规范要求。在航天领域，发射成功率建立在成功发射次数之上。
据焦维新介绍，中国航天发展近60年，自有体系培养的第三代航天梯队才逐渐成形。通过梳理中国航天发展的脉络后会发现，中国与美国在航天领域的差距仍然很大，中国尚不具备采用美国模式的条件。
早期的中国航天复制了苏联的航天体制，凸显国家政治、外交需要，提升军事实力被摆在首位。这与美国成熟的自由经济、商业社会的模式大为不同。1956年是中国航天事业的发展元年，当年10月8日，专事航天的国防部第五研究院成立，专门负责导弹研制，隶属于军队系统。1965年，中国对航天部门进行调整，实行军民分立，航天不再纳入军队系统占用军费。进入1980年代，基于与国际接轨和市场经济的要求，专事航天的部门历经航天工业部、航空航天工业部、中国航天工业总公司和国家航天局的改组，中国航天工业总公司也拆分成中国航天科技和中国航天科工两大集团公司。前者主要提供大型运载火箭’飞船、卫星等产品和服务的企业，后者则专事航天军事应用。
历经数次改组变迁，中国航天现行体制与当年的国防部第五研究院相去甚远，形成了军民并立的分散格局。在市场化高度发达的今天，中国航天体制的弊端开始显现出来。据悉，目前国内涉及航天事务却又彼此没有清晰隶属关系的单位有数家，比如工信部国防科工局与国家航天局并不是中国航天工程的实际领导机构，与NASA统帅的美国航天业大为不同。
权力分散带来的官僚作风日益弥漫。有关专家透露，即使是一幅高清晰新闻图片的使用都要经过层层把关审批。在相关部门看来，一张航天科技需要公开的图片可能含发射场地形地貌，则被要求不得。“出了事谁负责”成为当事人推诿时最常说的话。
军民并立看上去解决了民用航天对经济的拉动作用，但在中国航天领域，军民各自形成了一套比较封闭的体系，相互协作也只能由强大行政建立起的“举国体制”推动和协调。此外，由于中国航天业一向保密严苛，直至今日，绝大多数民众仍分不清“航空”与“航天”，也搞不明白航天用数字编列的院所作用何在。当每次航天发射成功后举国欢呼之时，民众仍不清楚航天究竟为自己带来了什么。而外界则一直对中国航天不透明亦心存疑虑。
此外，饱受诟病的航天“双轨制”依然改善不大。始于1990年代的“民”并没有带来航天技术的根本性转变。与美国阿波罗登月计划投入产出相比，中国航天产业收入仅占全球航天业收入的3%。长期受体制限制的中国航天目前仅处于产业化阶段，远谈不上商业化。比如卫星研制、发射，囿于多种原因，几乎全部靠国家投入，社会资本极少介入。“曾有香港资本希望介入，但遭遇政策障碍无功而返。”一位航天业人士私下表示。
从“神一”到“神七”，目前已有2000多项航天技术成果运用到国民经济领域，民用航天产值已占到航天总产值半壁江山，投入产出比也达1：10。但从实际情况看，航天技术民用化仍停留在“冠名”阶段。2007年成为“中国航天事业合作伙伴”的广东万和燃气热水器对航天品质管理系统赞赏有加，一直期待从火箭点火系统中转化能用的燃烧和节能技术，结果最后得到的几乎是可以对外公开的技术。“技术转让费用太高，不是一家民营企业可以承受的。”万和的负责人事后抱怨道。
参与“北斗”卫星商用的民营企业亦陷入窘境，保密政策过于严格令参与运营的民营企业头疼不已。几乎所有涉足“北斗”系统的民营企业，在经过漫长的保密审查后才能获得一块“国家二级保密单位”的牌子，这也成为制约北斗产业规模的一大问题。
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[物种] 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[遮挡] from radiation[辐射] guarantee[保证] 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[交换] rocks for billions of years. What’s knocked off one planet by an asteroid[小行星] strike[攻击] 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[突然出现] wherever the conditions are right, and a universe with billions of galaxies and trillions of stars could be teeming[大量出现] with life. It might also mean that life from Earth could be a threat to Martian life.
So how should terraformers[将（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[杀菌] 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[细菌] from Earth, and then we should leave Mars to the Martians. McKay: I would say our responsibility[责任] is to encourage that life to flourish[茂盛] and thrive[茁壮成长]. Diversity[多样性] 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[使彻底变革] 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[赞同] 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，伦理] need to be based on what is good for people, not what is good for bacteria. This idea of depriving[剥夺] 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[另一可选择的], though, is to play the role of the ruthless[无情的] invader from another planet.
David Grinspoon (Astrobiologist): You think of The War of the Worlds注 kind of scenarios[情节] 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.
在不久的将来，人类的科技产物也许能把火星从一个寒冷的红色沙漠变成一个适宜居住的星球。然而，引入生命并让火星披上绿色，将带来一系列我们从未遇过的问题。克里斯·麦凯(天体生物学家)：我们能够让火星恢复宜居的环境。然而对我来说，我们能够这样做这一事实会引发一个问题：我们是否应该这么做？我想，我们的所作所为将为今后树立一个范例，反映出我们是一个怎样的物种。火星将成为我们的先例。出于这个原因，我认为我们应当谨慎行事，这一点非常重要。
目前火星上没有任何生命迹象，而且完全有理由相信生命不可能存在于火星表面。火星表面缺乏水，也没有可以抵挡辐射的防护层——这些条件确保了这一点。然而，地表之下可能冻结着一些远古微生物，也许只需要温度升高即可复苏。若是如此，它们便能回答宇宙学上最大的疑问：在宇宙中，生命起源是否不止一个？
几十亿年来，火星与地球一直在互相交换岩块。由于受到小行星撞击而脱离其中一颗行星的物体，常常会降落到另一颗行星上。偶有微生物搭上这趟顺风车也不足为奇。因此，地球上的生命有可能来自火星，反之亦然。尽管这一点很有趣，但它仍然无法告诉我们生命是否起源于其他地方。
不过，假如火星生命最终被证实是独立体系——在我们的太阳系中，与我们的地球仅仅一星之隔的这个行星，有着自己的生命起源，那便意味着只要条件适宜，生命就会萌芽；在一个拥有数十亿星系和数万亿颗恒星的宇宙当中，生命可能随处可见。这也可能意味着，源于地球的生命可能会对火星生命构成威胁。
那么，假如真有火星生物的话，想把火星改造成地球的人又该如何对待它们呢？
麦凯：让火星变暖之前，我们最好先试着回答这个问题。因为我们要怎样做，取决于我们对这个问题的回答。假如我们发现火星上有和地球上一样的生命，这个问题便无关紧要了，我们可以一路走下去，与火星共享来自地球的生命。但如果火星上确实存在生命，并且有其独立生命起源，那么依我看来，我们要做的事情将截然不同。
麦凯认为，在这种情况下，我们应该对以往任务中遗留下来的所有太空垃圾进行消毒杀菌。即使数百年后，火星仍有可能被来自地球的细菌污染。然后，我们应该把火星留给火星人。
麦凯：我认为我们的责任是促进火星上的生命繁荣发展。各个行星的生命多样性是一件好事；我们可以了解很多，认识到以该生命为基础的另一个生物圈是如何运作的，而这种知识或将颠覆我们对诸如医学和农业等领域的理解；因为我们有了一个可供对比的生物圈，这会帮助我们更好地认识地球。
然而，并非所有人都赞同这种做法，尤其是在不辞劳苦地把火星改造成宜居地之后。
罗伯特·祖布林(火星协会主席)：我不认为那是一种理性的、合乎道德的见解。道德的标准要以什么对人们有益——而不是什么对细菌有益为基础。为了将这个地方留给细菌，而从人类手中——不仅是从人类手中，也是从一个包含动物、植物、鸟类、鱼类等各种生物构成的奇妙生态系统手中——夺走一个活生生的世界，这种想法简直是发疯。
然而，除此以外我们还有另一种选择，就是扮演来自另一个星球的无情入侵者。
戴维·格林斯普(天体生物学家)：你会联想到《世界大战》那样的剧情，以及所有令人毛骨悚然的关于外星人入侵的科幻小说，入侵者来到地球，说：“噢！我们想要你们的星球，我们要杀了你们。”你知道，我们将这种行径视为邪恶。我的意思是，这可不是一个好邻居做的事。但我相当肯定我们不会遇到这个问题，因为我认为火星上并不存在生命。
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好奇号——新一代火星探测车
从中国科技馆获悉，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、力学研究所学术委员会主任李家春日前在中国科技馆开办主题为“身边的流动”的讲座，通过唐代诗人李白和张继的名诗《早发白帝城》和《枫桥夜泊》解释古人观察到的流动现象。探寻日本“3・11”海啸与福岛核泄漏、2011年极端气象灾害和美国航天飞机退役等事件当中的流体力学的原理。
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。”
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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。
另外，污染处理问题。流水不腐，户枢不蠹。水流动起来了就不会发生污染，这是非常简单的原理。但是处理污染事件时，做环境的人往往只用化学的方法，或者只用生态的方法，而不用流动的办法。实际上处理苏州河的时候，做流体力学就考虑利用潮水涨落把污染物带出去，这能提高效率、节省费用。昆明的滇池到现在为止也没有解决好。所以光靠化学不行，一定要用流体力学原理，利用或产生流动，使得水活起来，污染就可以治理好了。
一、新编高中地理课程结构的新格局
普通高中新课程计划规定：高中三个年级都开设地理课。高一地理（必修）面向全体学生，为其奠定终身 受用的地理知识与能力基础。全书以人类为中心，去研究与人类有着密切关系的自然地理环境、人类经济活动 与地理环境关系、人类面临的全球性问题和可持续发展问题。高二地理（限定选修），为选学文科学生毕业后 升学深造拓宽文化基础，它在高一地理（必修）基础上，把人文地理（狭义）中具有普通应用价值的专题性基 础知识加以叙述。高三地理（限定选修），则是在高一、高二地理的基础上，着重阐述地理区域研究基础知识 和当今中国国土整治与开发的几个突出问题。以上可以看出，三个年级地理课，层次渐进，相辅相成，浑然一 体，共同完成高中地理教育教学目标。
从可持续发展的角度来认识，高一地理1至4单元侧重于探讨生态可持续发展；高二地理突出社会可持续发 展和人口可持续发展；高三地理则是让学生树立区域可持续发展的观念。从而结合地理课较系统地向学生进行 可持续发展观的教育。
二、高一地理（必修）教材体系的新构建
高一地理共10单元，按其内容联系，又可分为三大部分：第一部分，人类赖以生存和发展的自然地理环境 （1至4单元）；第二部分，人类活动与地理环境（5至8单元）；第三部分，人类面临的全球性问题与可持续发 展问题（9至10单元）。
自然地理部分，与现行教材相比，最大变化是采取了以“四大环境”取代“四大圈层”的体系，从而更加 突出了“人与环境关系”的主线。人类生存发展的范围是在逐渐扩大的：人类一开始生活在陆地上；航海事业 的发展，使人类活动范围扩展到海洋；航空航天事业的开拓与进步，又使人类解开大气、宇宙之奥秘。新编高 中地理在讲自然地理时，是以“宇宙环境”开始的，因为地球上许多地理事象的发生与地球宇宙环境有关，然 后，再讲大气环境、海洋环境，最后以与人类关系最密切的陆地环境结束。四大环境涉及内容颇多，新教材并 未追求各大环境知识的系统性、完整性，而是从人与环境关系出发，选取那些最具有地理性（体现人地关系） 、时代性（如可持续发展观念）、实用性（体现地理实用价值）知识，而舍去了那些陈旧的、实用价值小的、 与人地关系不紧密的、属于地理相关学科或边缘学科的内容。
人文地理部分，摒弃了传统的、从部门经济地理角度组织材料，而是选取最基本的人类活动范畴，即解决 人类最基本的衣食、居住、联系、休闲等需要的活动。具体确定为：人类的生产活动、人类的居住地——聚落 、人类活动的地域联系、人类的旅游活动。从而减少了头绪，突出了人地关系。每个单元都没有系统地讲某种 人类活动，而是紧紧围绕人类活动与地理环境关系及人文环境而展开。
三、高一地理（必修）上册各单元知识结构简析
（一）第一单元 宇宙环境
与现行教材不同之处，它不仅讲地球的宇宙环境，还把宇宙作为人类生存和发展的“第四环境”展现在学 生面前。本单元知识可分为三个层次：
第一层次，地球的宇宙环境（地球在宇宙中的位置，宇宙中的天体太阳、月球对地球的影响）。地球是宇 宙中一颗既普通又特殊的行星，地球上好多现象都与其所处的宇宙环境有关。了解它，有助于正确理解地理环 境的发生、发展规律，有利于从深层次认识人类和环境的密切关系。教学时，应通过多媒体现代化教学手段， 向学生展示天体系统的层次结构。弄清天体系统和地球在宇宙中的位置，从而帮助学生树立辩证唯物主义的宇 宙观。
第二层次，地球运动的本质属性及其地理意义。教师只有通过让学生对地球仪、三球仪的操作演示，通过 “二分日”“二至日”日照图的读图分析，才能使学生真正理解地球运动的特征以及由此产生的地理意义，同 时也使学生的操作、绘画等动手能力和观察、综合分析的能力得到发展。地球的运动是一个很复杂的运动，它 在自转的同时还绕日公转。科学地讲，地球上许多地理现象实际上是地球自转和公转共同作用的产物。新教材 与现行教材的区别在于没有明确标明哪些是地球自转的地理意义，哪些又是地球公转的地理意义，而是笼统地 以“地球运动的地理意义”概括起来，其意正是要说明这一点。教学时，为了让学生确实体会到这一点，可设 问让学生思考：①假如地球不公转只自转，地球上的昼夜更替周期、地方时差大小将有变化吗？②假如地球不 自转只公转，地球上还有昼夜更替吗？③如果黄赤交角等于零，太阳的回归运动、地球上的昼夜长短变化、正 午太阳高度变化、四季变化、五带划分将是怎样？学生通过这一连串问题的思考，既加深了对地理事象形成的 深刻理解，又锻炼了自己的思维能力、空间想象能力。
第三层次，是把宇宙作为人类生存和发展的第四环境来讲述的。主要介绍了人类对宇宙的新探索、宇宙资 源开发、宇宙环境保护。教学目的在于让学生了解宇宙探测意义，唤起学生学科学、爱科学、用科学，立志探 索宇宙奥秘、开发宇宙资源、保护宇宙环境的意识。
（二）第二单元——大气环境；第三单元——海洋环境；第四单元——陆地环境
这三个单元知识结构大体一致，都可分为二个层次。
第一个层次，是讲人类赖以生存和发展的自然环境的组成、结构和特征的。当然三个单元各有侧重；第二 单元大气环境，先讲大气环境组成、结构，再讲大气环境的物理性状；第三单元海洋环境，主要讲海洋环境的 基本特征——温度、盐度与运动；第四单元陆地环境则是按陆地环境组成要素——岩石、地貌、陆地水、生物 、土壤来组织材料的。但无论怎样，这一层次内容的教学，必须把重点放在理清自然环境各组成部分内部、各 组成部分之间的关系上，简称“地地关系”。
人地理学角度讲，地理环境各要素相互联系、相互制约和相互渗透，才构成了地理环境整体性。只有搞清 它们之间的有机联系，才能深刻理解地理环境发生、发展和演化的规律。例如：第四单元陆地环境，离开了各 组成要素内部、各组成要素之间、各组成要素与地理环境之间的联系，就很难理解复杂的陆地环境形成、发展 与演化。
从可持续发展角度讲，只有搞清“地地关系”，找出地理事物发生、发展的变化规律，才能协调人类发展 与环境的关系，走可持续发展道路。例如：第三单元海洋环境，当学生了解了“海气关系”、“海陆关系”时 ，就会从保护全球生命支持系统的高度，自觉地去保护海洋生态环境。
从认识论的角度讲，只有搞清知识间的内在联系，形成知识网络，才能变分散的、机械的识记为系统的、 理解的识记，既便于记，又便于忆，才可能用综合的观点分析地理事象。例如：第二单元大气环境，在“大气 的运动”一节中，只要学生搞清气温、气压、气流、天气状况几者关系，搞清影响大气水平运动的“三力”（ 水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力）与风力、风力与等压线的关系，就不难理解和掌握以后的“气旋与反 气旋”、“三圈环流”、“气压带和风带”、季风环境、北半球1月、7月气压形势，乃至世界的降水与气温分 布、气候类型分布等诸多知识。
第二层次，讲“人地关系”，是各单元的重点。它主要包括自然资源、自然灾害、环境保护三个问题。四 大环境不仅是全球生命支持系统的一部分，也是一种有助于人类实现可持续发展的宝贵财富。随着科学发展， 自然资源的外延越来越扩大。自然资源问题的教学，不仅要使学生了解资源的特性、类型，因地制宜地保护和 合理开发利用各种自然资源，还在于通过教学让学生树立科学的“资源观”，认识并处理好人类活动与资源的 关系，实现自然资源的永续利用。
自然灾害，主要有宇宙灾害、气象灾害、海洋灾害、地质灾害等，新教材着重讲气象灾害与地质灾害。通 过教学，不仅要使学生了解各种灾害发生的原因、时空分布、危害、防御等，更重要的是教育学生树立“灾害 意识”，确立预防为主、加强监测预报的观念，而且还要培养学生正确的应灾能力，包括应灾心理和应灾行为 的培养。自然环境本身带来的灾害固然可怕，但人类违背自然规律的活动造成的“环境问题”更可怕。
目前环境问题主要有两大类：一类是由于人类不适度不合理地生产活动，导致生态环境破坏和改变；一类 是由于人类消费活动，造成的环境污染。通过教学，我们不仅要对各种环境问题产生的原因（如环境污染的污 染源、污染物、污染原理等）、危害、对策让学生了解清楚，更主要是教育学生摒弃“人地对立”（如“人主 宰自然”、“人定胜天”等）的传统“人地观”，树立“人地协调”的科学“人地观”。培养学生参与意识， 自觉参与当地环保工作，展示地理之价值，教育学生讲究“环境道德”，让他们从自身作起，从小事作起，从 现在作起，养成良好的保护环境的道德风尚和行为习惯，自觉与破坏环境的不道德行为作斗争。
（三）第五单元——人类的生产活动
人类生产活动是人类最基本的活动，其中工业和农业又是人类生产活动中最基本的部门。本单元共11节， 前5节讲农业生产活动，后6节讲工业生产活动。但无论工业还是农业，都不是讲生产活动本身，而是突出讲地 理环境对农业生产活动的影响、讲人类生产活动与地理环境的关系及相应的人文环境。这部分内容，无论农业 还是工业主要分两个层次。
第一层次，农（工）业的区位选择。本质上讲，就是地理环境对农（工）业生产活动的影响。教学时，注 意把握具有递进关系的四个问题：①影响农（工）业的主要区位因素；②影响农（工）业的主导区位因素；③ 农（工）业的区位因素不是绝对的、一成不变的，随着社会生产力的发展和科学技术的进步，各区位因素对农 （工）业区位影响在不断变化着；④农（工）业区位选择，既要注意经济效益，同时又要考虑社会效益、环境 效益和生态效益，这是可持续发展战略的要求。
与之相应，组织学生进行如下活动：①联系实际搞社会调查，对当地（或某一地区）农（工）业区位因素 或区位选择作出分析与评价；②根据不同农（工）业部门不同特点和区位因素对生产的影响，选择主导区位因 素；③具体情况具体分析，按照经济效益、社会效益、环境效益三兼顾的原则进行农（工）业区位的选择实践 。
虚拟经济哲学革命温特尔模式物质能量与信息相对论
文章简介：本文探讨新经济与全球化的关系，分别对新经济和全球化进行了定义。对于信息产业的本质，是从物质，能量，信息的差别谈的。信息的本质是以二进位（0和1的组合）来表示客观存在，可以与电的开关相一致，所以可以达到光速，因此超越了物质特性，在本质上就是全球化的。文章归纳了信息社会的12个内容，指出它不是工业革命的继续，而是未来信息与智能社会的开端。中国历史上的“易”就是二进位的组合，中国人具有发展新经济的巨大潜力。在新经济和全球化基础是的国际竞争具有相当大的风险，包括两极分化，宏观经济不稳定，影响国家经济安全和等，需要我们认真研究对策，不可盲目和天真。
一。作为生产方式的“新经济”：
新科技革命与全球化的结合
1。全球化与新经济的定义
经济全球化是指“通过贸易、资金流动、技术涌现、信息网络和文化交流，世界范围
的经济高速融合”（IMF）。“各国经济已不仅仅是一般地相互联系和交往，而是互相交织，互相融合，以致形成了全球经济的整体”。
狭义的“新经济”有三重含义：第一，指90年代低通货膨胀和高经济增长并存的，美国经济的特殊繁荣；第二，将美国经济增长的原因归结为网络，“新经济”就获得以下含义：以网络和信息技术为基础的新科技革命。第三，指以信息技术全面改造传统产业，提高全社会生产率。广义新经济包括三个层次的概念：
第一，新经济不限于生产力范围，而是生产方式的整体，包括生产力和生产关系两个方面：
生产力指以新科技革命为基础的社会生产力，在90年代以来的新科技革命，则是以信息产业为核心，以网络为基础的。生产关系指美国所推动的，资本主义生产方式的全球化。
这样定义新经济，就与流行的所谓“新经济＝＝信息产业（IT），加上全球化”说法相一致了。
第二，目前的“新经济”是90年代在美国首先产生，并影响全世界的。以美国的新经济为出发点，考虑世界经济的全球化，意味着更加强调“国际领导者”（目前是美国），包括美国文化，价值观念，政府和企业，在推动全球化方面的主体作用，而不仅仅把全球化看成客观过程。美国是有目的，有战略，有策略，有意识推动全球化进程的，这就使全球化带有两重性：一方面是市场经济发展的自然历史过程，一方面是资本主义生产关系，特别是作为霸主的美国，它的利益和战略的产物。这对于全面分析全球化的性质，新经济的性质，及其双重后果，对于我国的应对战略，有重要的认识论意义。
第三，新经济是一个历史概念。广义的“新经济”，应该从近代资本主义生产关系开始。所谓“新”，是相对于传统的自然经济，地域性经济，农业社会而言，可以理解为整个近代资本主义生产方式，在数百年内，经过3次大的科技革命，将生产力和生产关系不断向全球扩张的过程。
2。4次科技革命与社会形态
我们把“新经济”理解为近代资本主义生产方式，其生产力的核心部分是新科技革命，这是毫无疑义的，因为科学技术是第一生产力。一场大的科技革命，需要相当长的酝酿期，积累到一定程度以后，才以爆发的形式形成现实生产力，发展到成熟阶段时，下一次新科技革命又在酝酿。近代以来已经出现3次大的科技革命，目前正在出现第4次。
每一次“新经济”的大飞跃，都有一些重要的标志：
第一，作为“新经济”的生产力方面，我们强调它的科技革命基础：4次大飞跃是以4次科技革命为标志的。第一次科技革命的酝酿期，可以追溯到地理大发现，17世纪产生于英国，在18世纪成为现实生产力，19世纪在美国形成最大规模的超级产业。第二次科技革命酝酿于19世纪末20世纪初，人类发现了原子能和电子，形成了电力，航空，钢铁，汽车等超级产业。第三次科技革命从二战以后开始，形成新的超级产业群。在20世纪90年代以美国普及计算机和互联网为代表，正在酝酿第4次科技革命。为什么把计算机和互联网作为下一次新科技革命的开端,而不是上一次的延续？因为，第3次科技革命及其形成的产业群，仍旧属于工业革命范围，形成的是现代工业化社会。而以计算机，互联网和生态技术，基因技术为开端的新科技革命，代表的是21世纪“信息和智能社会”。
人类可以利用的最重要资源是物质，能量和信息。在农业社会中，人类把物质加工成人力工具；在工业社会，能量被转化为动力；到了信息社会，信息成为最关键的战略资源，将被转化为现代的智力工具。在信息社会中，人类将面临“智能革命”，人的智能通过智能计算机和智能机器人放大，实施生产的自动化，智能化，人工智能是高科技的核心。所以准确地说：未来社会应该是“信息和智能社会”。要实现智能革命，就要更加深入地了解人的大脑。21世纪的主导科学将是生命科学。90年代开始开始的基因研究，到2005年可能查清人类基因的图谱。未来的高科技是以基因技术，信息技术，生态技术和智能技术为基础的，新的智能生产力。信息产业，可以看成是从工业社会向“信息和智能社会”发展的过渡阶段。
第二，每一次新经济的飞跃，都有生产工具创新，并发现新的能源动力。第一次新科技革命，工具机是珍妮纺织机和镗床，由镗床加工出蒸汽机，才使得蒸汽成为大工业的动力；第二次新科技革命，工具机是机床，动力是电力和石油和原子能。第三次新科技革命，工具机是计算机，在20世纪50年代就被发明出来。第一代计算机是用于信息处理的大型计算机，用于国防和学术研究；第二代计算机是个人计算机，用于信息的获取。第四次科技革命的工具是计算机和互联网结合，形成交互式网络，用于信息的传输和交流，这是第三代计算机。更为高级的计算机，是生物技术和人工智能的结合，产生智能机器人，达到人机共同思考。
第三，人类对于物质层次的认识和利用，日益深入。蒸汽机是以热力为基础的，人类对于物质的利用在从分子层次；石油的分解和提炼，是以化学为基础的，人类对于物质的利用在原子层次，物质的化合与分解，是原子结构的改变；电力的产生，是人类改变了电子的运动方向。而原子能，则是人类打破原子核的结果，质子，光子和中子，都被人类所利用，以产生新的巨大能量。
第四，人类对于外部环境的利用日益广阔，体现在对于空间和时间的认识和利用。第一次新科技革命，是以牛顿的机械时空观为基础的。新大陆的发现，极大扩展了人类活动的空间，航海技术使得世界性的征服殖民地和移民成为可能，而美国铁路网的建立，才真正为大工业创造了广阔的国内市场。第二次新科技革命，是以爱因斯坦相对论为基础的，空间和时间是相对的，可以互相转换的。人类正在进入海洋和外层空间，扩大自己绝对活动空间。更为重要的是，人类开始自觉地改变自己和空间的相对关系，即通过加快速度，缩短时间，克服空间对自己活动的限制。电子，航空，航天，电磁技术已经达到了这一点。喷气式飞机，高速公路和铁路，缩短了人类环绕地球的时间。3颗同步运行的卫星，即可以实现全球24小时不间断的通讯，使得气象观测，股票市场，都能够通过光速，全天候24小时运行。运行速度越快，时间越短，空间对人类活动的限制就越小。有人说：地球已经变成了“地球村”，就是说新科技革命改变了人类活动的时空限制，为人类社会关系的全球化，提供了无与伦比的技术手段。新的通讯交通工具可以“压缩时空”，使整个地球变小，人类的交往不再受到以往那样的，时间和空间的限制：古代依靠快马传书，一天可以跑800里；汽轮船，高速列车，特别是喷气式飞机的出现，开始改变了这一切。使人类摆脱时空限制的根本手段，是电子通讯技术。1964年电子计算机在美国诞生，1965年出现了商用卫星。60年代末期互联网始于美国，80年代应用于军事，教育，科研和教育，90年代应用于商业。2000年有1亿台电脑入网，用户有5亿人。2001年全球信息产业的产值达到3。5－5万亿美圆，成为世界第一大产业；到2016年，全球有2亿人在家里上班。是网络，把地球变成一个“地球村”。只从这一点，就可以看出新技术革命和全球化的关系，可以说，以信息革命为基础的新科技革命，提供了经济全球化的技术手段，造就了全新的，强大的生产力基础；而全球化则是资本生产关系的全球化，二者相互促进，相辅相成，构成世纪之交世界性的全新生产方式。
第五，每一次新科技革命，都有尖端技术和先导技术，并产生完全新型的系列产业。第一次科技革命是蒸汽机，纺织机，电动机，发电机。第二次科技革命的尖端技术在20世纪40年端，在70年代成熟，包括：微电子科学和电子信息技术，空间科学和航空航天技术，光电子科学和光机电一体化技术，生命科学和生物工程技术，材料科学和新材料技术，能源科学和新能源，高效节能技术，生态科学和环境保护技术，地球科学和海洋工程技术，基本物质科学和辐射技术，医药科学和生物医学工程。成熟的标志是全球技术创新，并使之转化为产业，至今方兴未艾。
所谓完全新型的产业，首先是因为其全新的理论基础和概念，如20世纪的基本粒子物理，天体物理，核物理，电子学，遗传学，分子生物学，数理逻辑学科。未来21世纪新科技革命的尖端技术是计算机技术（包括多媒体，芯片，机器人和软件等），激光技术，生物工程。理论基础则是现代遗传学等。未来新技术产业对于自然资源的高度依赖，转变为对知识和技术的高度依赖。
第六，每一次新科技革命，都产生新的国际关系和战略格局。总有一个国际领导者推动全球化和自由化，这个领导者往往是新科技革命发源地，具有最先进的科技创新能力，建立了最强大的超级产业，集中了全世界大部分工业生产和财富，具有强大的文化政治影响和外交支配能力，成为国际霸主。同时也总有国际挑战者，与领导者进行对抗。17世纪的国际领导者是荷兰，挑战者是英国；18－19世纪的国际领导者是英国，挑战者是德国和法国；20世纪国际领导者由英国向美国转换，国际挑战者先是德国，二战后是苏联和日本。经过数十年的较量，特别是美国新科技革命的成功，取得了更加强大的国际领导者地位，成为全球化的主要领导者和推动者。
第七，每一次新科技革命，都促进生产关系的革命，产生新的经济体制，新的政府和法律政治制度，新的企业组织和产业结构。总的方向，是向着自由化，民主化，全球化的方向发展，个人的权利得到尊重，个人的创造力得到发挥。
前3次科技革命，都属于工业革命范畴，而目前开始的第4次科技革命，则属于信息革命范畴，所创造的将是21世纪的信息和智能社会，对于人类生活的影响将是根本性的。
二。信息产业与全球化
1。信息的特殊性。
信息与物质，能量并列的第三种客观实体。信息是具有客观内容的，这个客观内容是可以转化二进位数字的，于是就可以电子作为载体，以光速运动。爱因斯坦对于人类的最大贡献，就是指出时间和空间的相对性，物质和能量可以互相转化。当物体接近光速运动时，其在运动方向上的长度会缩短50％，完全达到光速时，长度为零，而其质量趋于无穷大。长度是物体所占空间的概念，表示物体的存在，人类不能够想象有一种没有长度，不占据空间的物质，而且质量无穷大的物质，或者说物质不可能以光速运动。以二进位制将信息数字化，化为“0和1”两个数码，称为“比特（BITS）”，与电路的“开和停”正好一致，因此比特可以和电子运动相一致。电子的运动就是信息的传输。以光速运动的数字化信息（BITS），既不是物质又不是能量，而是独立分为一类，它就是以光速运动的某种“内容”，可以超越空间的限制，并产生超越时空限制的产业－－－－信息产业，在本质上必然是全球化产业，可以超越国界限制，语言限制，速度限制。
信息的另一个特征，是“注意力经济”。1997年INTEI前总裁GROVE提出了“争夺眼球”的概念：“一个用户就是一份资产，拥有的访问人数或者眼球数越多，就意味着企业的潜在利益渠道越广”。美国迈克尔说“注意力经济”是一种远期资产。在信息社会中，特别是在网络虚拟经济中，信息以爆炸方式增长，信息已经是一种充实的经济资源。稀缺的只是人们的注意力，即期内客户对企业及其产品的注意程度－－－注意力或者心灵占有率MIDSHARE，是企业的无形资产。注意力经济，是以最小成本吸引客户注意力，培养潜在消费群体，获得未来的无形资本。注意力是企业在网络经济中把潜在购买力变现的前提和关键，是虚拟经济的“硬通货”。
2．信息产业。
狭义的“新经济”主要指信息产业。“新经济”产品与传统产品的最大不同，就是其科研试制费用，先期投资的固定成本非常之高，如12英寸的芯片生产线为20亿美圆，基本上是一旦失败就无法回收的“沉没成本”，而其复制成本或者边际成本非常之低，在复制软件方面几乎为零，必要时，信息产品的生产者可以大幅度降价，保持庞大的销售市场，排挤竞争对手。因此，市场的规模和占有率是第一位的，生产者必须进入国际市场。
信息产品的技术标准最为重要，生产者可以通过技术标准的推广，通过技术和设备的专用性，把用户长期锁定于自己的产品系列中。技术标准必须是国际通行的。信息产业的基础设施－－－－互联网是国际性的。
信息产业起源于本世纪初的无线电，发展于50－60年代的半导体。日本在70－－－80年代成功地把美国创造的电子技术，转化为民用产品，在家用电器和汽车等方面，对美欧占据了优势。80年代初期，日本总体科技水平已超过了欧洲，接近了美国。1983年日本在159项关键技术中，有39项同时领先于美国和欧洲，有38项水平相当，只有16项落后。日本小汽车成本，在1980年是3000美圆左右，美国为4700美圆；日本的半导体产业在80年代中期，占据了50％的国际市场；日本的汽车，家用电器和建筑机械，在世界市场的价格比欧美产品低25－－－30％。60年代日本的主流产品是钢铁，船舶；70年代是家用电器，80年代是汽车和电子产品，皆领先于世界潮流。然而在90年代的主流产品个人电脑，通信产品，和信息产品的增殖方面，却明显缺乏日本的参与。在80年代末期，日本信息产业战略有误，把主要研究力量投入大型电脑，而美国却大力发展起个人电脑。
由于在领先产品方面的错误选择，日本就难以参与新经济的国际化分工。美国直接选取台湾，韩国，新加坡和中国大陆为合作对象，以台湾和新加坡生产一般电脑部件，韩国生产半导体的记忆部分，中国大陆和东南亚生产低档的周边产品，本土的英特尔控制核心核心部件中央处理器，微软控制软件，利用英特尔和微软控制的技术平台周期性提升电脑性能和硬件需求，进而与英特网等最新的信息技术结合，左右了全球信息产业的发展进程，形成了“温特尔平台”：微软的视窗操作系统和英特尔芯片结合，微软占领了90％以上的软件市场，英特尔占领了80％的芯片市场。
关键词： 控制系统； 激光测距； 望远镜； 位置二次闭环； 混合PID
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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