Некоторые особенности построения систем передачи телеметрической информации

Системы передачи телеметрической информации объединяют бортовую и наземную телеметрические системы. А также радиолинию космический аппарат - Земля.

Бортовая телеметрическая система обеспечивает сбор информации от различных служебных и научных датчиков, преобразует выходные сигналы этих датчиков в цифровую форму, обеспечивает хранение информации в период между сеансами связи и формирование единого цифрового потока двоичных данных.

Можно выделить три основных вида источника данных на космический аппарат [1]:

- системы космический аппарат (электропитание, ориентации, управления, двигательная установка и др.);

- низкоинформативные научные приборы;

- высокоинформативные научные приборы (ТВ камеры, оптико-механические сканеры и т.п.).

Эти источники информации, как правило, используют общую бортовую систему сбора, преобразования и хранения информации и единую радиолинию космический аппарат - Земля.

На Земле с выхода телеметрической системы передачи информации сообщения поступают к разным потребителям. Данные о состоянии систем космический аппарат поступают в группу анализа ЦУП. Научная информация используется различными научными институтами. Информация от датчиков изображения используется как в интересах управления космический аппарат, так и в интересах науки.

Характеристики телеметрической системы зависят от того, какие датчики информации она обслуживает. Задачи системы передачи служебной ТМИ сводятся к передачи сообщений о состоянии систем космический аппарат, температура в отсеках космический аппарат, исполнение передаваемых функциональных и числовых команд.

Запуск каждого нового космический аппарат является началом лётно-конструкторских испытаний, так как практически все космический аппарат отличаются друг от друга по решаемым задачам и, следовательно, имеют отличие в системах космический аппарат и укомплектованы разными научными приборами.

Основным отличительным признаками системы передачи служебной ТМИ являются:

- большая избыточность передаваемых сообщений;

- невысокая точность измерения параметров;

- большое число измеряемых параметров;

- необходимость передачи данных в аварийном состоянии космический аппарат (потеря ориентации, снижение мощности передатчика и др.).

Требования минимизации массы и энергопотребления бортовой аппаратуры приводит к необходимости создания единой бортовой ТМС, которая передаёт сообщение как от датчиков состояния систем космический аппарат (служебная телеметрия), так и от научных датчиков (научная телеметрия).

ТМИ передаётся кадрами (см. рис. 1) [2]. Обычно каждый кадр состоит из 128 8-ми разрядных слов, в начале каждого кадра передаётся синхропосылка (СП), как правило состоящая из 4х слов. Первое слово после СП несёт в себе значение номера ТМ кадра, в которую входит номер цифрового массива (ЦМ), передаваемого в структуре ТМ кадра.

Рис. 1. Состав телеметрического кадра

Порядок следования информационных слов в ТМ кадре однозначно определяется номером кадра. При передачи ЦМ в четырёх старших разрядах пятого слово записывается «0», шестое и седьмое слова в кадре несут информацию о бортовом времени (БВ) от 0 до 59 минут. 6 старших разрядов 6-го слова могут принимать значения от 0 до 59 минут с дискретом в 1 минуту.

2 младших разряда 6-го слова и 4 старших разряда 7-го слова могут принимать значения от 0 до 59 с дискретом в 1 с.

4 младших разряда 7-го слова могут принимать значения от 0 до 15 (0-937,5 мс) с дискретом в 62,5 мс.

С 8-го по 127-е слово передаётся ТМИ.

Последнее слово в кадре - контрольная сумма. Она получается суммирование 2-чных слов всего кадра с учётом СП без переноса бита переполнения 8-ми разрядной сетки.

ТМИ передаётся как безызбыточным кодом при малых скоростях передачи, так и после кодирования свёрточным кодом (СК) с длиной кодового ограничения К=6 и кодовой скоростью R=1/2.

При выборе перспективных методов кодирования ТМИ рассматриваются несколько возможных кодов:

- каскадный код, состоящий из свёрточного кода К=6, R=1/2 и расширенного кода Боуза-Чоудхари-Хеквенгейма (64; 51; t=2);

- свёрточный код с К=9, R=1/3.

Требуемое отношение сигнал-шум на бит информации для обеспечения вероятности ошибки 10^-5 соответственно составляет 2,2 и 1,9.

Для сравнения, отношение Е_б/N₀ для СК с К=6, R=1/2 равно 2,8.

Полагаем, что потери при демодуляции и синхронизации кодовых символов реально не должны превышать 1 дБ. Для рекомендации одного из рассматриваемых методов кодирования учтём следующие соображения:

- наиболее помехоустойчивый из этих кодов - свёрточный с К=9, R=1,3 - пригоден в основном для программной реализации. Сложность аппаратурной реализации примерно в 8 раз больше чем для свёрточного кода с К=6, R = 1,2;

- каскадный код приходит к утроению - учетверению сложности кодирующего устройства. Сложность декодирующего устройства увеличивается незначительно. Учитывая, что энергетический выигрыш, на который разменивается сложность, составляет 1 дБ, следует иметь убедительные причины для его применения.

Бортовой комплекс ТМС (см. рис. 2) обеспечивает следующие режимы работы:

- передачу в реальном времени в сеансе связи;

- запоминание информации между сеансами связи;

- передачу одной части информации в реальном времени и одновременное запоминание другой части информации.

Рис. 2. Структурная схема бортового комплекса системы передачи телеметрической информации

бортовой телеметрический космический аппарат

Сигналы от датчиков поступают на входы коммутаторов. Программа опроса датчиков находится в памяти устройства хранения и формирования. Аналоговые сигналы проходят через АЦП и в устройстве формирования кадра УФК объединяются в единый цифровой поток, который в реальном времени передаётся через радиолинию, в режиме запоминания поступает старт-стопное запоминающее устройство. Все необходимые синхросигналы бортовой комплекс получает от программно-временной системы (ПВС). Обработку цифровых сообщений и управление режимами работы системы выполняет ЭВМ, входящая в состав ТМС. Бортовой комплекс способен обрабатывать не только данные отдельных датчиков, но и цифровые массивы, при этом поступающий на вход радиолинии цифровой массив разделяется на стандартные кадры по 1024 бита. В каждом кадре имеется СП.

В сеансе связи ТМИ, сначала передаётся в режиме воспроизведения с ПЗУ, а затем реального времени. Типовой сеанс связи продолжается около 30 минут. При необходимости передачи большого объёма данных сеанс может продолжаться до нескольких часов в зависимости от возможности системы электропитания космический аппарат.

Наземный комплекс предусматривает регистрацию принимаемой информации, чтобы отказ в сеансе связи наземных систем синхронизации и декодирования, каналов связи с ЦУП и т.п. не приводил к потере информации. Поэтому наземный комплекс (см. рис. 3) имеет несколько ступеней регистрации.

Для приёма ТМИ используется одна из двух антенн комплекса космической связи: с диаметром зеркала 32 либо 70 метров.

Для сужения зоны поиска сигнала по частоте и снижения тем самым порогового значения энергетического потенциала используются программируемые синтезаторы частоты, позволяющие компенсировать известную часть доплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала. В системе используются мягкое декодирование по алгоритму Витерби [3]. При этом, с учётом потерь в реальном приёмном устройстве при вероятности ошибочного приёма бита информации 10^-4 требуется Е_б/N₀ = 3 с учётом потерь на реализацию. После декодирования цифровые данные поступают на схему выделения сигнала кадровой синхронизации и схему выделения результатов измерения отдельных параметров.

Рис. 3. Структурная схема наземного телеметрического комплекса

Литература

1. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение [текст]: М., 1982.

2. Радиосистемы межпланетных космических аппаратов [текст]: Под общей редакцией А.С. Виницкого - М. - «Радио и Связь» 1993 г.

3. Хаусли Т. Системы передачи и телеобработки данных [текст]: М. - 1994.

4. Разработка программного обеспечения для автоматизированного проектирования программы телеметрических измерений модернизируемого изделия 11Ф695. Программа и методика испытаний [текст]: НТЦ «Наука» - Самара - 2002.

5. Разработка программного обеспечения для автоматизированного проектирования программы телеметрических измерений модернизируемого изделия 11Ф695. Отчёт по результатам испытаний [текст]: НТЦ «Наука» - Самара - 2002.

Размещено на Allbest.ru