В статье рассматриваются вопросы приёма, передачи, обработки и анализа телеметрической информации, поступающей с космического аппарата на Землю. Рассматриваются основные этапы и виды обработки телеметрической информации. Приводится алгоритм обработки поступающей телеметрической информации с ракет-носителей.
Ключевые слова: телеметрическая информация, приём и передача телеметрической информации, обработка и анализ телеметрической информации.
Радиотелеметрические системы играют важную роль в процессе получения научной информации в космическом эксперименте. С их помощью на Землю передаются сведения об исследуемых процессах и явлениях, а также о работе научной аппаратуры и служебных систем.
Используемая в космических экспериментах информационно-телеметрическая система состоит из бортовой части, устанавливаемой на космическом аппарате (КА), и наземной, связанной с бортовой частью радиолинией. Бортовая часть системы содержит устройства восприятия первичной информации, сбора, преобразования и последующей передачи информации в наземную часть системы, имеющую приемные, дешифрирующие (преобразующие), регистрирующие элементы, и средства визуального отображения принимаемой информации.
Для передачи полученной на борту КА информации измерения от датчиков преобразуются в электрические величины. Электрические сигналы на борту КА поступают на суммирующие и кодирующие устройства, формирующие телеметрический кадр. Для разделения информации от каждого из используемых датчиков вводятся специальные адресные признаки. Сформированный таким образом групповой сигнал излучается в пространство и принимается наземными пунктами при пролете КА над ними.
Наиболее простой способ временной привязки телеметрических измерений реализуется в режиме непосредственной передачи (НП) данных на Землю. В этом случае поступающая в режиме НП информация автоматически привязывается к используемому в пункте приема информации времени. Однако данный способ реализуем только при нахождении КА в зоне наземного измерительного пункта.
В процессе полета по орбите космический аппарат периодически оказывается вне зоны видимости наземных измерительных пунктов. Поэтому практически все научно-исследовательские КА имеют в своем составе запоминающие устройства (емкостью до 100 Гбит) для записи электрических сигналов, содержащих информацию об изучаемых явлениях.
Для обеспечения временной привязки информации в телеметрический кадр вводят специальные служебные сигналы, формируемые бортовым генератором эталонного времени. С помощью данных сигналов при наземной обработке и анализе информации с высокой точностью определяются моменты времени появления зарегистрированного на борту КА события.
Анализ основных этапов и видов обработки телеметрической информации
Результаты обработки телеметрической информации ракеты-носителя поступают кадрами в унифицированном формате УС0, формирующимися по мере поступления результатов измерений и передачи их в телеметрический тракт. Каждый кадр УС0 снабжен временной меткой с относительным значением времени его формирования и является множеством значений и признаков, характеризующих техническое состояние ракеты-носителя.
Прием и регистрацию телеметрической информации обеспечивает наземная передающая радиостанция типа МА-9МКТМ. Передача телеметрической информации осуществляется по двум радиоканалам со скоростью 512000 бит в секунду. Информация передается блоками по 512 десятиразрядных слов. Передача телеметрической информации по второму каналу осуществляется с задержкой на 3.1 сек.
Моноблок аппаратуры сбора является основной локальной единицей системы РТСЦ и предназначен для сбора информации с датчиков различных типов: аналоговых, вольтовой шкалы, дискретных и температурных (термосопротивлений и термопар); и передачи ее в основной коммутатор-формирователь. Максимальное количество датчиков разных типов, подключаемых к моноблоку сбора, при условии, что два входа локального коммутатора используются для передачи калибровочных уровней 0 % и 100 %, следующее (Таблица 1):
Таблица 1
Количество и состав телеметрируемых параметров локального коммутатора
|
Тип ЛКА |
Дискретные датчики |
Температурные датчики |
Аналоговые датчики вольтовой шкалы |
|
ТА271 |
64 |
31 |
62 |
|
ТА271А |
128 |
0 |
62 |
|
ТА271В |
64 |
31 |
62 |
Структура локальных коммутаторов предусматривает одинаковую частоту опроса по всем каналам, поэтому при штатной работе бортовой системы частота опроса оказывается чрезмерно высокой, а объём измерений избыточен. Поступающие результаты измерений в формате УС0 имеют сложную структуру и не могут быть восприняты человеком-оператором непосредственно и использованы им для оценивания технического состояния ракеты-носителя. Поэтому поступившую телеметрическую информацию преобразуют к форме и виду, удобному для использования оператором по назначению. В процессе этих преобразований из исходной телеметрической информации происходит последовательное устранение структурной, статистической избыточности и выделение смыслового содержания в целях подготовки необходимых сведений для оценивания технического состояния.
Процесс анализа телеметрической информации космических средств подразумевает под собой реализацию соответствующих алгоритмов ее обработки при требуемых показателях точности, быстродействия и достоверности. В наиболее общем виде основными целями анализа телеметрической информации являются:
– извлечение информации из поступающих данных;
– математическое преобразование, анализ и представление результатов за минимальное время, обеспечивающее своевременное использование их в процессе распознавания технического состояния ракеты-носителя;
– определение частных и обобщенных характеристик систем и подсистем ракеты-носителя;
– хранение и своевременная выдача в удобном потребителям виде.
Анализ поступающей телеметрической информации предполагает наличие трех связанных между собой этапов, отличающихся сложностью используемых алгоритмов, полнотой и формой отображаемых результатов (Рисунок 1): предварительная, первичная и вторичная обработки.
Рис. 1. Схема существующего алгоритма обработки поступающей телеметрической информации ракет-носителей
Основной задачей предварительной обработки телеметрической информации (Рисунок 1) является формирование потока достоверных измерений, удовлетворяющих заданным требованиям по точности и оперативности результатов обработки. В состав математического программного обеспечения на этом этапе входят алгоритмы исключения результатов измерений, содержащих аномальную погрешность, фильтрации и сжатия исходной телеметрической информации.
Первичной обработкой телеметрической информации (Рисунок 1) является процесс определения и уточнения ее оценок в физических единицах, предназначенный для получения достоверных оценок о техническом состоянии ракеты-носителя.
На этапе вторичной обработки (Рисунок 1) решаются задачи определения параметров состояния и оценки работоспособности ракеты-носителя как в целом, так и его отдельных систем и агрегатов. Представление и анализ результатов обработки представляет собой процесс количественного и качественного анализа всех первично-обработанных телеметрируемых параметров, взаимосвязанных между собой и характеризующих функционирование ракеты-носителя.
Классификация распознаваемых состояний построена таким образом, что в любой произвольный момент времени ракета-носитель может находиться только в одном состоянии (в самом простом случае: «исправен», «неисправен»).
Из всего комплекса задач, решаемых при вторичной обработке, выделяют следующие: допусковый контроль, групповой контроль, контроль косвенных параметров; и различают два принципиально различных варианта — оперативный и полный.
Полную обработку телеметрической информации космических средств, в связи с большим объемом и сложностью алгоритмов анализа, проводят «постсеансно», при этом:
– анализируют качество функционирования бортовых систем;
– оценивают их надежность и определяют статистические характеристики процессов, протекающих на борту, и сравнивают их с требуемыми;
– выявляют скрытые закономерности, делается вывод о технической доработке или изменений условий эксплуатации объекта.
С целью получения решения о техническом состоянии контролируемого объекта в реальном масштабе времени ограничивают объем и глубину вторичного анализа поступающих данных. Полученную таким образом информацию называют оперативной, а сам процесс оперативной обработкой или экспресс-анализом.
Оперативная обработка поступающей телеметрической информации решает следующие задачи:
– выбор параметров состояния и оценку работоспособности;
– выявление и локализацию неисправностей;
– краткосрочный прогноз состояния систем и агрегатов;
– генез технического состояния (специфику эксплуатации объекта).
Для получения решений о техническом состоянии контролируемого объекта в реальном масштабе времени система анализа телеметрической информации должна:
– успевать реагировать на события и обрабатывать поступающую телеметрическую информацию за фиксированное время;
– обладать способностью к параллельной обработке нескольких событий.
Поэтому основным требованием, возникающим при проведении оперативной обработки, является требование сокращения времени обработки и анализа поступающей телеметрической информации. В состав математического обеспечения необходимо ввести упрощенные алгоритмы, не требующие больших затрат времени. Таким образом основную цель оперативной обработки телеметрической информации можно сформулировать следующим образом: получение максимально достоверных оценок технического состояния при минимальном объеме данных за минимальное время.
В настоящее время этапы предварительной и первичной обработки телеметрической информации космических средств автоматизированы. Задачи вторичной обработки решаются, как правило, экспертами-операторами вручную. Им представляется смысловая информация о состоянии отдельных систем, подсистем, блоков и т. д., и на основании полученной информации выполняется интегральная оценка технического состояния.
Литература:
- Введение в ракетно-космическую технику: учебное пособие: в 2 томах / А. П. Аверьянов, Л. Г. Азаренко, Г. Г. Вокин [и др.], под общей редакцией Г. Г. Вокина. — Вологда: Инфра-Инженерия, [б. г.]. — Том 1–2018. — 380с.
- Соловьёв, В. А. Управление космическими полетами: учебное пособие: в 2 частях / В. А. Соловьёв, Л. Н. Лысенко, В. Е. Любинский, под редакцией Л. Н. Лысенко. — Москва: МГТУ им. Баумана, [б. г.]. — Часть 2–2010. — 426 с.
- Абрамов, И. П. Ракетно-космическая техника: учебное пособие / И. П. Абрамов, И. В. Алдашкин, Э. В. Алексеев, под редакцией В. П. Легостаева. — Москва: Машиностроение, [б. г.]. — Книга 2–2014. — 548 с.
- Микрин, Е. А. Бортовые комплексы управления космических аппаратов: учебное пособие / Е. А. Микрин. — Москва: МГТУ им. Баумана, 2014. — 245 с.
