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 космическом аппарате [1]:
– системы космического аппарата (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 космического аппарата 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 космического аппарата является началом лётно-конструкторских испытаний, так как практически все космические аппараты отличаются друг от друга по решаемым задачам и, следовательно, имеют отличие в системах космического аппарата и укомплектованы разными научными приборами.
Основным отличительным признаками системы передачи служебной телеметрической информации являются:
– большая избыточность передаваемых сообщений;
– невысокая точность измерения параметров;
– большое число измеряемых параметров;
– необходимость передачи данных в аварийном состоянии космического аппарата (потеря ориентации, снижение мощности передатчика и др.).
Требования минимизации массы и энергопотребления бортовой аппаратуры приводит к необходимости создания единой бортовой телеметрической системы, которая передаёт сообщение как от датчиков состояния систем космического аппарата (служебная телеметрия), так и от научных датчиков (научная телеметрия).
Телеметрическая информация 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.
|
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-ое слово передаётся телеметрическая информация.
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.
Телеметрическая информация 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 телеметрической информации 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 Еб/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 телеметрической системы (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.
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 телеметрической системы. 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 телеметрическая информация, 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 телеметрической информации 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 Еб/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.
|
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» 1993г.
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.
