1.1. История развития радиосистем передачи информации

1.2. Задачи космических РСПИ

1.3. Технические требования к космическим РСПИ

1.4. Основные подсистемы космических РСПИ

1.5. Упрощенная структурная схема космической РСПИ

1.1. История развития радиосистем передачи информации

Наибольшее развитие радиосистем передачи информации (РСПИ) связано с разработкой системы многоканальной связи и радиотелеметрических систем (РТМС). Более подробно рассмотрим особенности таких РСПИ как РТМС.

Термин «телеметрия» в переводе с греческого означает дальние измерения. Телеметрическая информация дает возможность контролировать состояние удаленного объекта и управлять им на расстоянии. Таким образом РТМС обеспечивают сбор, обработку, передачу по радиолинии измеренной информации о состоянии или поведении технических устройств, живых организмов и других объектов, удаленных от потребителя этой информации.

Измеряемая информация – это информация, результаты измерения которой могут быть выражены в единицах измерения физических величин.

РТМС широко применяют в промышленности, медицине, биологии, при исследовании океанских и земных глубин, космоса. Научные основы РТМС заложены в результате развития теории информации, многоканальной связи и математических методов обработки информации, в частности систем сжатия данных.

Практическое использование РТМС стало возможным благодаря достижениям в области микроминиатюризации элементов РСПИ и разработки микропроцессоров, микроконтроллеров, ПЛИС и т.д. Успехи в области теории передачи информации связаны с именем таких отечественных ученых, как В.А.Котельников, В.И.Сифоров, А.П.Мановцев, В.Ю.Типугин, П.А.Агаджанов и др.[1].

История развития радиотелеметрии начинается с 1930 года, когда с шара – зонда, выполненного под руководством профессора П.А.Молчанова, были переданы такие метеорологические данные, как давление, температура, влажность. В конце 30-х годов под руководством академика С.Н.Вернова был разработан радиозонд, предназначенный для изучения космических радиаций. С 40-х годов РТМС стали использоваться при испытаниях самолетов, управляемых снарядов, искусственных спутников Земли и космических кораблей. В настоящее время РТМС используются в газовой, топливной и химической промышленности, а также металлургии и ядерных установках.

1.2. Задачи космических РСПИ

К основным задачам космических РСПИ относятся [1]:

1. Сбор измерительной информации от разных источников на борту космического аппарата, а также сжатие и преобразование в форму, удобную для передачи в радиолинию.
2. Передача телеметрической информации с борта космического аппарата по радиолинии и прием на Земле.
3. Обработка принятой телеметрической информации, регистрация и представление в форме, удобной для потребителя.

Первоначально главной задачей в радиотелеметрии была передача сообщений и теория телеметрии сводилась к теории многоканальной радиосвязи. В настоящее время основными задачами являются первая и третья задачи.

Это вызвано следующими причинами:

• РТМС стали использоваться для обслуживания сложных объектов;
• увеличилось число источников измерения информации;
• увеличился объем передаваемой информации;
• увеличилась дальность связи;
• появились жесткие ограничения на вес и габариты бортовой аппаратуры.

Круг задач, решаемый современными РТМС, значительно шире, чем у систем многоканальной связи и включают в себя следующие требования:

1. Предание РТМС свойств адаптации к текущей обстановке (например, путем регулировки частоты опроса).
2. Рациональное формирование сообщений на борту объектов (например, путем разработки эффективных систем кодирования).
3. Устранение избыточности, т.е. сжатие объемов сообщений (например, применяя адаптивную коммутацию и дискретизацию).
4. Автоматизация процессов обработки информации на Земле.
5. Получение некоторой части информации незамедлительно.

Реализация этих требований привела к тому, что РТМС должны рассматриваться как пространственно – разнесенные информационные радиосистемы, включающие в себя ряд разнородных, но связанных между собой систем.

1.3. Технические требования к космическим РСПИ

1. Одновременное измерение и передача информации о многих параметрах.

2. Обеспечение высокой точности измерений. По точности РТМС делятся на 3 класса: средней точности (погрешность 3 – 5%), высокой точности (1 – 2%), очень высокой точности (0.1 – 0.5%). Очень высокую точность обеспечивают только цифровые РТМС.

3. Обеспечение передачи сообщений с различной шириной спектра (от единиц Гц до сотен кГц).

4. Бортовая аппаратура должна быть максимально проста, надежна, иметь малые массу, габариты, потребление энергии.

5. Наземная аппаратура должна автоматически обрабатывать информацию, поступающую на Землю с различной скоростью передачи.

1.4. Основные подсистемы космических РСПИ

Космические РСПИ относятся к большим системам. Выделяют три основные подсистемы (рисунок 1.1):

• бортовая информационная подсистема;
• радиолиния;
• наземная информационная подсистема.

Рисунок 1.1

Сигналы, снимаемые с выхода первичного преобразователя ( ПП ) и подаваемые на вход РТМС – называются первичными. ПП осуществляет преобразование неэлектрической величины в электрическую. Кроме первичных сигналов в космические РТМС передаются дополнительные сигналы, необходимые для масштабирования, синхронизации и других задач. ПП обычно состоит из датчика и согласующего устройства (рисунок 1.2),

Рисунок 1.2

где - первичный процесс, являющийся неэлектрической величиной, - электрическая величина.

Датчик осуществляет основные преобразования реализации измеренного параметра в электрический сигнал . Согласующее устройство преобразует электрический сигнал к виду, на который рассчитаны входные цепи РТМС.

По виду измеряемых параметров датчики подразделяют на датчики обеспечивающие:

• контроль процессов путем:
• непосредственного преобразования;
• модуляции параметров;
• контроль событий:
• сигнальные;
• счетные.

В случае контроля процессов на вход ПП поступает процесс , а при контроле событий входная величина является дискретной ( например, удар метеорита).

Датчик непосредственного преобразования процессов обеспечивает преобразование в непосредственно в соответствии с функцией . У модуляционных датчиков процесс используется для модуляции одного из параметров гармонического или импульсного сигнала .

Сигнальные датчики фиксируют факт наступления определенного события. Каждому событию соответствует определенный сигнал, который передается на наземную подсистему.

Счетные датчики обеспечивают подсчет и передачу числа однородных событий, например, число ударов метеорита.

В бортовых информационных системах осуществляется сжатие и уплотнение канала передачи, т.е. сообщение представляется в форме, обеспечивающей устранение избыточности. При этом выбрасываются избыточные отсчеты и передаются только представляющие интерес параметры.

Основной особенностью радиолинии является её многоканальность, составляющая от 10 до 10⁵ каналов. К радиолинии предъявляются требования по обеспечению заданной дальности, надежности, скрытности и помехоустойчивости связи.

В наземных информационных подсистемах осуществляется предварительная обработка результатов измерений, т.е. устраняются грубые ошибки, проверяются условия стационарности, производится оценка параметров. Наземная информационная подсистема выдаёт результаты измерений в удобном для получателя виде. Получателем информации может быть ЭВМ, человек, техническое устройство.

1.5. Упрощенная структурная схема космической РСПИ

Рисунок 1.3

Структурная схема передающей части космической РСПИ имеет вид изображенный на рисунке 1.3.

В состав этой структурной схемы передающей части космической РСПИ входят первичные преобразователи (ПР), аппаратура обработки информации (АОИ), устройство формирования группового сигнала (УФГС), радиопередающие устройства (РПУ), устройство масштабирования, запоминающее устройство (ЗУ) и синхронизатор.

Сигналы U₁ , U₂ , … ,U_N c выхода ПР поступает на вход АОИ. На вход АОИ могут поступать сигналы непосредственно с контролирующих приборов и систем, если подлежащие измерению параметры являются элементарными.

АОИ решает следующие задачи [2]:

1. Сокращение избыточности передаваемой информации.

2. Управление сбором информации на объекте в зависимости от меняющейся ситуации.

3. Согласование производительности бортовых измерительных систем с пропускной способностью радиоканала.

Рисунок 1.4

Структура УФГС зависит от метода разделения каналов. В общем случае УФГС можно изобразить в следующем виде (рисунок 1.4):

Сигналы с генератора канальных сигналов (ГСК) поступают на канальные модуляторы (КМ). В системах с частотным разделением каналов (ЧРК) эти сигналы представляют собой синусоидальные колебания с различными поднесущими частотами (рисунок 1.5), а в системе с временным разделением каналов (ВРК) это последовательность импульсов, разнесенных по времени (рисунок 1.6).

Рисунок 1.5

Рисунок 1.6

В системе с разделением каналов по форме канальные сигналы совпадают по времени и частоте, но различаются по форме.

Для синхронизации различных устройств, входящих в состав РТМС, используется синхронизатор. ЗУ используется на летательных аппаратах и низкоорбитальных космических аппаратах. В начале осуществляется накопление информации в ЗУ на участках полета, где отсутствует связь между контролируемым объектом и наземным приемником станции. После восстановления связи с наземными приемными станциями накопленные данные передаются.

В телеметрии важное значение имеет абсолютная величина измеряемых физических параметров с привязкой по времени, т.е. телеметрическая информация должна быть масштабирована. Масштабирование осуществляется по уровню и по времени. Для масштабирования по уровню потребитель должен знать амплитудную характеристику датчика , а также калибровочную характеристику информационного канала РТМС . Эта характеристика может сниматься заранее, но из-за нестабильности параметров измеряемой системы приходится периодически передавать известные значения эталонных уровней сигнала. Обычно калибровка производится с периодом 10 -15 секунд путем передачи на вход информационных каналов сигналов, соответствующих 0%, 50%, 100% напряжения питания датчиков.

Масштабирование по времени осуществляется путем формирования сигнала времени в пункте приема или передачи этих сигналов вместе с данными телеизмерений.

Структурная схема приемно-регистрирующей аппаратуры изображена на рисунке 1.7, где РУ – регистрирующее устройство:

Рисунок 1.7

Сигналы с выхода радиоприемного устройства (РПрУ) поступают на вход устройства декодирования (Декод) и также на синхронизатор (Синх) и далее на формирователь (ФОРМ) сигналов в системе синхронизации с ВРК. В системе ЧРК синхронизатор отсутствует.

Обычно весь групповой сигнал после преобразования записывается в регистрирующее устройство РУ1 в цифровой форме. Зарегистрированная информация повергается обработке, которой предшествует отбор результатов регистрации и исключение ненужных данных (экспресс-анализ) с помощью устройства отображения информации (УОИ).

В результате обработки информации в ЭВМ поступают таблицы или графики измерения телеметрических параметров в истинном масштабе времени.

Кроме этого производится отбраковка ложных измерений, выделение экстремальных значений параметров и др. Результаты обработки представляются на визуальных индикаторах и записываются в РУ2, а также представляются в удобном виде для передачи в линии связи.