2020-05-13
1228
В системах информационно-телеметрического обеспечения передача данных телеизмерений осуществляется по направлениям и сетям связи. В первом случае (рис. 7.1а), характерном в основном для ранних телеметрических систем, обычно используется радиоканал прямой видимости (или кабельная линия), связывающий объект телеизмерения ОТ с аппаратурой регистрации информации АР.
Во втором случае (рис. 7.1,б), характерном для телеконтроля параметров летательных аппаратов и других подвижных объектов, перемещающихся относительно поверхности Земли в широком диапазоне дальностей и скоростей, передача информации ведется по радиоканалу и далее по сети связи, часто имеющей глобальные масштабы.
Рис. 7.1. Топология телеметрических сетей
При этом обеспечивается оперативная доставка информации практически в реальном масштабе времени на расстояние в несколько сотен или тысяч километров. Высокая надежность передачи данных достигается благодаря использованию в сети обходных линий связи, а также разнесенного приема радиосигналов.
|
|
|
Пространственный и поляризационный разносы дают возможность устранить замирания сигнала и прерывания связи с объектом телеизмерения. Следует заметить, что значительный пространственный разнос пунктов приема приводит к необходимости сведения несинхронных потоков информации в процессе их обработки с помощью сигналов единого времени.
Характерной особенностью сетей связи, используемых для сбора телеметрической информации с пунктов приема, является применение в них составных каналов радио-, радиорелейной и кабельной связи, соединенных узлами автоматической коммутации. Проблема трансляции информации усложняется не только из-за разнообразия физической природы и свойств отдельных линий связи, но и вследствие различия принципов, лежащих в основе построения систем передачи и систем коммутации информации.
Работа систем передачи данных телеизмерений основана на коммутации сообщений, а работа узлов сети связи – на коммутации каналов, обычно имеющих вид физически обособленных электрических цепей. Таким образом, на данном этапе развития техники связи невозможно рассматривать способы передачи информации и уплотнения телеметрических линий без учета особенностей построения сетей связи и управления в них информационными потоками.
В общем случае к каналам передачи телеметрической информации предъявляются следующие требования:
возможность осуществления многоканальной передачи большого числа различных параметров с высокой точностью;
обеспечение высокой пропускной способности и достоверности передачи данных;
|
|
|
удобство сопряжения линий связи между собой, с аппаратурой автоматической коммутации и аппаратурой обработки данных;
возможность использования существующих сетей связи для трансляции данных телеизмерений;
обеспечение высоких эксплуатационных и экономических, в т. ч. удельных, показателей.
Следует заметить, что большая часть существующих многоканальных линий радио-, радиорелейной и кабельной связи общего назначения создана на основе частотного разделения каналов и стандартных телефонных каналов с возможностью их объединения для передачи цифровых данных с большой скоростью или дополнительного уплотнения телеграфными каналами малой производительности. При частотном разделении сигналов в магистральных линиях связи наблюдается достаточно высокий уровень межканальных помех, существенно превышающий допустимый уровень для передачи телеметрической информации. По этой причине возникает необходимость применения различных мер для повышения достоверности передачи, основанных на сокращении избыточности передаваемых телеметрических сообщений, использовании корректирующих кодов, канала обратной связи и ряда других средств.
Таким образом, вопросы рационального построения каналов передачи и трансляции телеметрической информации требуют единого системного подхода.
Это позволяет не только исключить ряд ненужных преобразований сигналов в отдельных звеньях общей транзитной цепи, которые наблюдались в ранних телеметрических системах, но и обоснованно определить требования к каждому из них.
В этой связи существенно отметить внедрение в сетях связи цифровых многоканальных систем с временным разделением сигналов и передачей всех видов информации (от телефонных сообщений до программ цветного телевидения) в единой цифровой форме. Их использование обеспечивает
повышение показателей существующих линий связи для обеспечения многоканальной дискретной передачи информации с высокой достоверностью;
создание цифровых интегральных сетей связи, в которых передача и коммутация сигналов осуществляется в единой цифровой форме;
уплотнение низкочастотных проводных каналов, имеющих сравнительно низкое сопротивление изоляции, а также перспективных оптоволоконных линий;
широкое использование достижений микроэлектроники.
В настоящее время превосходство цифровых каналов над аналоговыми в большинстве случаев следует считать бесспорным (даже при передаче относительно быстро меняющихся телеметрических параметров).
Радио-, радиорелейные линии и коаксиальные кабели в состоянии обеспечить передачу информации в полосе частот 3-5 МГц и более, а современные волоконно-оптические линии связи в полосе частот до нескольких десятков ГГц. Следует также иметь в виду, что цифровые системы хотя и требуют использования широкополосных линий связи, однако обладают малыми удельными расходами полосы частот и мощности на передачу одного бита информации в секунду.
В заключение отметим, что помехи в каналах передачи телеметрической информации, особенно в составных каналах, имеют сложный характер. Однако в большинстве случаев для инженерных расчетов полагают, что в радиолиниях УКВ-помехи имеют вид, близкий к гауссовскому шуму. В кабельных линиях флуктуационные шумы малы, главное значение имеют импульсные помехи, обусловленные работой коммутационной аппаратуры.
8. Примеры бортовых информационно-телеметрических систем
Расширение перечня и сложности задач, ставящихся перед ракетно-космическими исследованиями, наметили постоянную тенденцию к росту количества измеряемой и регистрируемой на борту космических объектов информации, как предназначенной для контроля и управления бортовыми системами, так и являющейся результатом научных экспериментов. Из особенностей применения информационно-телеметрических средств можно выделить следующие.
|
|
|
1. Перемещение объекта в условиях большой удаленности друг от друга пунктов приема приводит к тому, что при чрезмерном удалении объекта от приемно-регистрирующей аппаратуры нарушается связь между бортовыми и наземными радиотелеметрическими средствами и появляется необходимость изменения способа организации этой связи.
2. Воздействия помех на радиоканал Борт – Земля и бортовые системы космического аппарата (КА), вызванные электромагнитным излучением Солнца, прохождением радиационных поясов Земли и пересечением орбиты изолиний магнитного поля.
3. Наличие жестких требований по надежности функционирования вычислительных модулей бортовых информационно-телеметрических систем в неблагоприятных условиях эксплуатации космического пространства (в первую очередь для КА бесконтейнерного исполнения) накладывает ограничения на состав элементной базы бортовых вычислительных средств.
4. Наличие противоречий между ростом числа измеряемых параметров при ограничениях на пропускную способность канала связи снижает устойчивость, оперативность и достоверность телеконтроля бортовых систем и информационно-телеметрического обеспечения научных экспериментов и потому требует тщательного их учета при разработке принципов применения информационно-телеметрических средств.
5. Необходимость использования одних и тех же информационно-телеметрических средств на всех этапах эксплуатации бортовой аппаратуры объектов ракетно-космической техники – подготовки к применению и управления в полете.
6. Жесткие требования по массе, габаритам и энергопотреблению бортовых информационно-телеметрических систем (БИТС), характерные для космических аппаратов, служат ограничителями некоторых показателей эффективности БИТС.
7. Проблема передачи все возрастающего объема сведений требует объединения функций обработки телеметрической информации как для последующей передачи, так и для использования в системах контроля, управления и навигации летательным аппаратом.
|
|
|
8. Быстродействие элементов бортового комплекса управления (БКУ), связанных с обработкой информации на борту КА, должно обеспечивать решение различных задач в реальном масштабе времени. Данное требование приводит к необходимости усложнять структуру БКУ в направлении автономизации функционирования КА. Особенно остро проблема повышения автономности функционирования стоит перед разработчиками систем диагностирования межпланетных космических аппаратов.
Современные разработчики телеметрических систем по-разному решают проблемы повышения эффективности информационно-телеметрического обеспечения. Среди основных направлений – универсализация бортовых комплексов, модульность их структуры, создание адаптивных систем с функциями самодиагностики и т. д.
Бортовые информационно-телеметрические системы объектов ракетно-космической техники не только методологически, но и по существу основных свойств можно отнести к категории больших систем, основной отличительной особенностью которых является как сложность и разнородность элементов, составляющих систему, так и вероятностный, непредсказуемый характер их поведения во времени.
Бортовая информационно-телеметрическая система "Орбита-IV"
Аппаратура БИТС "Орбита-IV" предназначена для решения информационно-измерительных задач (телеметрия, формирование и ввод информации бортовым потребителям) на:
ракетах-носителях, разгонных блоках (рис. 8.1), головных блоках, ракетах авиационного и морского базирования и др.;
космических аппаратах, в том числе и на КА с продолжительным сроком активного функционирования (до 10-15 лет).
Рис. 8. 1. БИТС для ракет-носителей и разгонных блоков. Обозначения, принятые на рисунке: К – коммутатор; ПП – первичные преобразователи;
П – передатчик; МБУ-Р – вторичный распределитель; МБУ-1 – центральный формирователь, распределитель; МПИ – межприборный интерфейс;
СЗУ – статическое ЗУ (16 Мбайт)
Конструктивные решения, принципы построения приборов и другие технические решения (принципы агрегатирования, контроль функционирования и т. д.) у обоих вариантов совпадают.
Вариант БИТС для КА приведен на рис. 8.2. Он отличается
применением специального покрытия деталей несущего конструктива, изготовленных из алюминиевого сплава;
специальным отбором и аттестацией комплектующих ЭРИ по специальной программе, утвержденной Главным конструктором аппарата;
возможностью резервирования: «горячего» с поканальным выбором наиболее достоверных измерений и «холодного», управляемого по внешним и внутренним командам;
встроенной системой диагностики;
включением в технологический цикл изготовления БИТС (приборов и модулей) специальных операций, таких как термоэлектротренировка аппаратуры в течение не менее 1 % ресурса, термовакуумные испытания, дегазация и другие виды технологических операций и испытаний, по требованию Главного конструктора КА.
Прибор МБУ – центральный формирователь телеметрического сигнала – формирует видеосигнал (в реальном времени) для модуляции сигнала передатчика и обеспечивает функционирование подключенных к нему коммутаторов, вторичных распределителей (МБУ-Р) и внешних измерительных систем. Центральный блок обмена с БЦВМ (прибор АФК) или центральный формирователь телеметрического сигнала – формирует видеосигнал кадра измерительной информации для обмена с БЦВМ и для модуляции передатчика, обеспечивает выбор наиболее достоверных измерений по мажоритарным алгоритмам при трехкратном горячем резервировании.
Статическое запоминающее устройство (прибор СЗУ) обеспечивает запоминание всего потока информации или программируемой его части по задаваемой программе или по внешним командам и последующее ее воспроизведение по внешней команде для передачи по радиолинии на наземный приемный комплекс.
Рис. 8.2. Структурная схема БИТС для КА. Обозначения, принятые на рисунке: К – коммутатор; СЗУ – статическое ЗУ 16 Мбайт; АФК – центральный формирователь телеметрического сигнала;
МПИ – межприборный интерфейс
БИТС «Орбита-IV MO» выполняет следующие функции:
сбор измерительной информации от аналоговых, температурных, тензо-, вибро-, цифровых и дискретных датчиков, цифровой информации от БЦВМ, поступающей по мультиплексному каналу обмена (МКО), преобразование этой информации в цифровой код и формирование кадра передачи данных в структуре системы «Орбита -IV MO»;
выдачу команд абонентам в заранее установленные моменты времени;
запоминание измерительной информации объемом до 16 Мбайт и последующее ее воспроизведение в различных режимах;
выдачу измерительной информации внешним потребителям по специальному каналу;
обработку измерительной информации по алгоритмам повышения ее достоверности и по алгоритмам сжатия для режима «телесигнализация»;
передачу телеметрической информации по радиоканалу на приемно-регистрирующие станции в режимах непосредственной передачи (НП) и в режиме передачи одновременно непосредственных измерений и воспроизводимой информации (НП+ВИ), а также в режиме НП и задержанной на заданное время информации (режим «задержки»).
Кроме этого, бортовая аппаратура выполняет ряд вспомогательных функций, необходимых для решения основных задач, указанных выше, а именно:
стабилизация напряжения и гальваническая развязка от цепей первичного источника питания;
формирование напряжений питания датчиков;
обеспечение работоспособности важнейших блоков бортовой аппаратуры (счетчика времени в центральном формирователе и в блоке временных команд, а также запоминающего устройства) при просадках напряжения первичного источника до 0 В на время до 10 мс;
формирование выходного суммарного телеметрического сигнала в виде видеокода для взаимодействия с контрольно-испытательной аппаратурой на различных этапах проведения проверок бортовой аппаратуры и изделия в целом.
БИТС представляет собой цифровую высокоинформативную телеметрическую систему, обеспечивающую сбор информации от различных типов датчиков:
аналоговых в шкале (0 - 6,2) В,
температурных (термоЭДС и термосопротивления),
дискретных (типа «да-нет»),
тензо- и вибродатчиков,
от цифровых систем типа БЦВМ, выдающих информацию в соответствии с ГОСТ 26765.52-87.
Вся вышеуказанная информация преобразуется в цифровой вид и в едином цифровом потоке передается но радиоканалу с фазовой манипуляцией несущей (0-180)º на Землю. БИТС формирует кадр измерительной информации и выдаст его по запросу внешнего потребителя. Максимальная информативность системы БИТС составляет 3,2 Мбит/с и может при необходимости снижаться до 196 тысяч бит в секунду с двоичной дискретностью оперативным перепрограммированием прибора МБУ (рис. 8.1) или по внешней команде (на Земле и в процессе полета изделия). Основной информационной посылкой в выходном телеметрическом сигнале является блок, состоящий из 12-ти последовательных бит и называемый словом. В определенных словах первые биты несут служебную информацию (синхропосылки, низкочастотные маркеры, метки текущего времени и др.), а все другие биты несут измерительную информацию. Служебная информация составляет не более 5 % от всей информации системы БИТС. Телеметрическое слово несет в себе информацию:
одного измерения – для аналоговых, температурных и тензопараметров;
до 8 измерений для дискретных параметров;
3-х (четырехразрядных), 2-х (шестиразрядных) или одного (восьмиразрядного) измерения для быстро меняющихся параметров.
Таким образом, БИТС при максимальной информативности (3,2 Мбит/с) может передать в секунду:
до 262 тысяч измерений аналоговых, температурных, тензопараметров, сигналов БЦВМ;
более 2 миллионов измерений дискретных параметров;
более 520 тысяч (6-разрядных) измерений быстро меняющихся параметров;
более 785 тысяч 4-разрядных измерений быстро меняющихся параметров.
ИТС позволяет практически в неограниченных пределах распределять полную информативность системы для измерения параметров любого типа при частоте опроса параметра не менее 4 Гц и не более:
32 Гц для температурных параметров (допускается увеличение частоты опроса путем запараллеливания 2-х, 4-х и т. д. каналов);
1096 Гц для аналоговых и тензопараметров (с учетом запараллеливания каналов);
до 45 тысяч 16-разрядных слов для информации МКО;
до 16 кГц для быстро меняющихся параметров (и до 64 кГц с учетом запараллеливания каналов).
БИТС позволяет принимать информацию от:
более чем 4000 аналоговых и температурных датчиков;
более чем 32000 дискретных датчиков;
до 48 вибродатчиков при частоте их опроса 16 кГц и до 96 вибродатчиков при частоте их опроса 8 кГц.
БИТС может работать в режимах:
запоминания информации – режим записи информации ЗИ;
передачи непосредственных (текущих) измерений – режим НП;
передачи воспроизводимой с ЗУ запомненной информации – режим ВИ;
одновременной передачи текущей и воспроизводимой информации – режим НП+ВИ;
одновременного запоминания информации и передачи текущей и воспроизведенной информации — режим ЗИ + НП + ВИ;
в режиме ускоренного воспроизведения информации с отношением скоростей записи и воспроизведения 1:2; 1:4; 1:8; 1:16; 1:32;
одновременной передачи текущей и задержанной (в «кольцевом» ЗУ) информации – режим «задержки».
БИТС позволяет гибко строить систему измерений изделия, в широких пределах варьируя:
количество и типы телеметрируемых параметров (путем набора необходимого количества коммутаторов соответствующего типа);
частоты опроса параметров;
верхние и нижние частоты среза фильтров и коэффициенты преобразования нормализаторов тензо- и вибропараметров;
время задержки информации в «кольцевом ЗУ»;
коэффициент трансформации скорости записи в скорость воспроизведения ЗУ при ускоренном воспроизведении.
ИТС позволяет изменять параметры системы измерения (частоты опроса, частоты среза, коэффициенты преобразования, суммарную информативность) путем оперативного перепрограммирования программ измерений, заложенных в ПЗУ системы, или путем выбора одной из программ измерений, заложенных предварительно в ПЗУ системы. В последнем случае выбор может производиться или кроссировкой, или по внешним командам (в том числе и в процессе полета изделия).
Питание системы осуществляется от источника постоянного тока напряжением 28 ± 5 В. Источники вторичного питания ИТС гальванически изолированы от первичного питания. Потребление БИТС зависит от количества и типов приборов, используемых в системе измерений. Время готовности системы после подачи напряжения питания – не более 3 с. Время непрерывной работы – до 8 часов.
Для реализации жестких требований к габаритно-массовым характеристикам БИТС принят ряд мер конструктивно-технологического характера:
применение больших интегральных схем как универсальных (однокристальные АЦП, мультиплексоры, операционные усилители, ОЗУ, ПЗУ и др.), так и специализированных программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и зарубежных интегральных схем (при отсутствии отечественных аналогов);
конструктивное оформление большинства микросхем в малогабаритных стандартных микрокорпусах и применение пассивной элементной базы в безвыводном исполнении;
применение технологии поверхностного монтажа;
применение многослойных коммутационных печатных плат для обеспечения межсоединений плотно расположенных выводов.
Общая информативность БИТС может принимать одно из значений: 16384; 32768; 65536; 131072; 262144 измерения в секунду. Под измерением понимается одно двенадцатиразрядное слово в выходном телеметрическом канале. Для аналоговых, температурных, тензо- параметров в одном телеметрическом 12-разрядном слове передастся одно измерение. Для дискретных параметров в одном телеметрическом слове передаются одновременно измерения 8 параметров (на каждое измерение – 1 бит слова). Для вибрационных параметров в одном телеметрическом 12-разрядном слове может передаваться:
1 измерение (8-разрядное);
2 измерения (6-разрядных);
3 измерения (4-разрядных).
Это позволяет снизить информативность системы, выделяемую для передачи цифровых эквивалентов результатов виброизмерений, за счет некоторого снижения разрешающей способности измерений. При значительной доле виброизмерений в общем объеме измеряемых параметров это позволяет значительно снизить долю общей информативности системы, выделяемой для передачи виброизмерительной информации (или увеличить число телеметрируемых вибропараметров при одном и том же объеме выделенной для этого информативности системы). Это позволяет при постоянной общей информативности системы увеличить количество передаваемых измерений, несколько снижая при этом их разрешающую способность. Общая информативность расходуется на передачу измерительной информации о разных типах параметров, имеющих разные частоты опроса.
Так как различные параметры требуют существенно различающихся частот опроса, то при равномерном опросе каналов коммутаторов либо неоптимально используется информативность системы (если опросность каналов в коммутаторе задавать равной требуемой опросности наиболее активного параметра, подключенного к данному коммутатору), либо неоптимально используются каналы (если опросность каналов в коммутаторе задавать равной опросности наименее активного параметра, а опросность более активных параметров реализовать запараллеливанием каналов, т. е. на опрос одного параметра требуется более одного канала).
Для устранения такого неудобства в аппаратуре БИТС "Орбита IV MO" в локальных коммутаторах (МКС2, МКА2, МКБ1) все каналы разбиты на 4 группы. В каждой группе каналы опрашиваются с одной и той же частотой fK:
(8.1)
где F Г – частота опроса группы;
N Г – число каналов в группе.
Так как все каналы в одной группе (а также все каналы прибора МКТ2) опрашиваются с одной и той же частотой, то на каналы одной и той же группы заводятся сигналы датчиков, которые имеют малый разброс требуемых частот опроса, и выбирается частота опроса каналов в группе равной максимальной (или средней) частоте опроса параметров в группе.
Если частоты опроса сильно отличаются, то можно использовать запараллеливание опросов, т. е. для опроса активного параметра использовать 2, 4,... каналов коммутатора, отстоящих один от другого на равных «расстояниях». При этом снижается число параметров, которые можно подключить к коммутатору, но более оптимально используется информативность.
Информативность ИК коммутатора МКТ2 равна
ИК = 2 fK, (8.2)
где fK – частота опроса канала.
В коммутаторах МКС2 все каналы разбиты на 4 группы по 32 канала в каждой, причем одновременно опрашивается по 8 каналов и результаты их измерений компонуются в одно выходное телеметрическое слово, т. е. информативность каждой группы каналов прибора МКС2 ИГС равна:
ИГС = 2 fK. (8.3)
где fK – частота опроса каждого канала в группе.
В коммутаторе быстро меняющихся параметров МКБ 32 канала разбиты на 4 группы по 8 каналов (как бы 4 локальных 8-канальных коммутатора). Внутри группы каналы опрашиваются с одинаковой частотой. При 6-разрядных измерениях в группе работают все 8 каналов и опросность каждого равна fГ /4, где fГ – частота опроса группы.
При 4-разрядных измерениях в группе работают только 6 каналов, но опросность каждого канала равна fГ /2. При этом происходит общая экономия информативности в 1,5 раза (считая в телеметрических 12-разрядных словах).
Для оптимального использования информативности на каналы одной группы следует подключать параметры, требующие одинаковых частот опроса и одинаковой разрядности. Максимальная частота опроса каналов в группе – 64 кГц (при 4-х разрядах) и 32 кГц (при 6-ти разрядах). За счет запараллеливания канала опросность в том и другом случае может быть увеличена вдвое.
Для работы системы в режиме НП+ВИ задержки (т. е. передачи непосредственных измерений и воспроизведения с ЗУ запомненных ранее измерений) возможны два варианта:
первый вариант, когда поток измерений НП (ИНП) не превышает 131072 изм/с. Тогда возможно воспроизводить поток НП и весь запомненный поток НП, т. к. их сумма не превышает полной информативности системы;
второй вариант, когда поток измерений НП превышает 131072 изм/с. В этом случае для передачи запомненной информации остается информативность ИЗУ. Тогда передачу информации непосредственных измерений через время τ задержки в полном объеме нельзя. Следует записывать на ЗУ для последующего воспроизведения через время τ задержки только часть информации НП, наиболее существенную для потребителя.
Количество каналов для каждого i -того типа параметров Ki определяется количеством этих параметров ni и числом запараллеливаемых каналов уi для измерения скоростных параметров:
Ki = ni + yi (8.4)
(считая запараллеливание каналов однократным). Для определения количества коммутаторов для i -х параметров необходимо разделить Ki на число каналов в этих коммутаторах, не считая калибровочных каналов, и при дробном значении результата деления взять ближайшее большее число.
Головной разработчик аппаратурных и программных средств БИТС – ФГУП ОКБ МЭИ. Головной изготовитель аппаратурных средств БИТС – ОАО «Ижевский радиозавод». Одним из объектов, на котором осуществляется освоение производства и установка БИТС «Орбита-IV», является КА «Ямал».
9. Примеры бортовых информационно-телеметрических систем (окончание)
