Принципы построения перспективных телеметрических систем

В отечественном ракетостроении основные принципы построения телеметрических систем были сформулированы и реализованы в 60-х годах. В последующие годы изменялась только элементная база (датчики, преобразователи, регистраторы передающе-принимающие устройства, средства обработки и хранения информации), при этом значительно отставая от темпов мирового развития.

Несомненно, что отставание в вопросах телеметрии связано с общим низким техническим и технологическим уровнем страны в микроэлектронной и компьютерной технике.  Но это отставание  можно компенсировать перспективными принципами построения систем телеметрии.

Необходимость изменений в вопросе принципов построения обусловлено ужесточающимися требованиями к телеметрическим системам по габаритно-массовым характеристикам, точности, информативности, помехозащищенности, надёжности, стоимости.

I. Действующие принципы построения телеметрических систем:

a.         один параметр – один датчик (не обязательно);
b.         множество различных типов датчиков (по физическому принципу преобразования);
c.          различные диапазоны измерения – различные модификации датчика;
d.         несколько датчиков – один вторичный преобразователь;
e.          линейная функция преобразования (линейная градуировочная характеристика) для всего измерительного тракта;
f.           проводные соединения;
g.         аналоговый сигнал;
h.         двоичная система передачи данных;
i.           передача всей информации на землю «в прямом эфире».

 Попробую обрисовать идеальную телеметрическую систему

Основой идеальной телеметрической системы является идеальный датчик.

Характеристики идеального датчика:

-         измеряет несколько типов физических воздействий одновременно (последовательно), например давление и температура, угловые и линейные ускорения и т.д.;

-         большой диапазон измерения, охватывающий все возможные значения измеряемой величины;

-         минимальное разрешение измеряемой величины во всём диапазоне измерения и минимальная погрешность, не зависящая от диапазона измерения;

-         минимальные габариты и масса;

-         не требует питания;

-         не имеет проводных связей (имеет связь по одному проводу);

-         помехозащищённый выходной сигнал;

-         не требуется промежуточный преобразователь;

-         взаимозаменяемость;

-         выдача служебных параметров.

Малогабаритный датчик, не требующий питания и проводных соединений, способный измерять несколько параметров, не является фантастикой. Примером измерительной системы, построенной на данных датчиках, является бесконтактная система измерения давления и температуры в автомобильных колёсах.

Характерной чертой современных телеметрических систем является огромное разнообразие датчиков, построенных на различных физических принципах и, соответственно, требующих строго индивидуального подхода к каждому типу датчика. Разнообразие датчиков требует использования не менее огромного количества согласующих устройств (как по питанию на входе, так и для согласования сигнала на выходе), индивидуальных кабельных сборок (каждый датчик имеет разное количество соединительных линий и самих срединителей). Кроме того, все датчики имеют индивидуальные габариты и способы крепления.

Всё вышесказанное приводит к запутанному строению телеметрической системы, большому объёму работ по проектированию, высокой вероятности ошибки, большим затратам нервных клеток и времени при поиске данной ошибки.

Идеальный преобразователь, регистратор, передатчик, антенна, радиоканал

Идеальный преобразователь – это отсутствие преобразователя (или микропреобразователь в составе датчика, соединителя, кабеля).

Идеальный регистратор – отсутствие регистратора (или один вход с одновременной регистрацией /и разделением/ всех параметров).

Идеальный передатчик – отсутствие передатчика ().

Идеальная антенна – отсутствие антенны (или антенна с идеальными характеристиками).

Идеальный радиоканал –широкий по информативности канал (в принципе возможно и отсутствие радиоканала /присутствие узкого радиоканала/ при использовании спасаемых ЗУ).

Идеальная телеметрическая система РКТ

Идеальная телеметрическая система РКТ это система с:

-         полным отсутствием (минимальным количеством) составных элементов;

-          высокой надёжностью;

-          минимальной погрешностью;

-          максимальной простотой и взаимозаменяемостью составных элементов;

-          высокой информативностью (в том числе по служебным параметрам);

-         отсутствием предобработки информации (архивированием, БПФ, переменной частотой регистрации, записью в память для последующей трансляции /кроме спецслучаев/, и т.д.).

Первые пять лозунгов красивы и понятны, поэтому подробно остановимся только на последнем.

Заявление: - «Полная передача информации на землю, отказ от переменной частоты регистрации и других методов сжатия данных – это подход 70^х годов» - абсолютно неправильное заявление. И даже наоборот, верно обратное заявление – сжатие данных в полёте - это подход 70 ^х годов. Отсутствие ЭВМ и прочей техники для обработки данных на земле могли вызвать естественное желание проводить предобработку информации на борту с помощью имевшихся там приборов. В наше время, когда вычислительные мощности на земле огромны, математический аппарат насчитывает сотни методов вторичной обработки, пытливый мозг теоретика не знает границ, то искажать информацию в полёте крайне нежелательно. Искажённую информацию не восстановить. Записанные в ЗУ данные будут безвозвратно потеряны в случае взрыва, а ведь эти данные должны были бы помочь установить причины нештатной ситуации. 

Информативность надо увеличивать другими способами. При этом никто не против сжатия данных без потери качества. Никто не против СЗУ, гарантированно спасаемого при любых ситуациях. Никто не против записи информации в ЗУ для последующей трансляции, если прямой эфир в данный момент невозможен.

Лежащий на поверхности способ увеличения информативности – переход с двоичной системы передачи данных на троичную, а ещё лучше на е-ричную (нецелочисленная показательная позиционная система счисления с основанием b=е=2,718281828…, равным числу Эйлера). В десятичной системе счисления, чтобы представить числа от 0 до 999 требуется 30 знаков, в двоичной системе с помощью 30 знаков можно закодировать числа от 0 до 32767, а в троичной – от 0 до 59048. Чем ближе система счисления к числу Эйлера, тем она экономичнее.

Принципы построения перспективных телеметрических систем

a.         несколько параметров (по физическим воздействиям) – один датчик;

b.         один тип датчиков (по физическому принципу преобразования) для измерения всех физических воздействий, например оптические датчики или пьезорезонансные датчики;

c.          один диапазон измерения для одного физического воздействия;

d.         отсутствие вторичных преобразователей;

e.          безразличный вид функции преобразования;

f.           отсутствие проводных соединений (минимальное количество проводных соединений);

g.         цифровой, частотный или кодированный сигнал;

h.         е-ричная система передачи данных (троичная система);

i.           передача информации на землю в прямом эфире, в записи, с помощью СЗУ.

Предлагаю обсудить эти принципы и высказать своё мнение.