автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Распределенная система приема телеметрической информации при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов

На правах рукописи

БОЛЬШАКОВ ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧ

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА ПРИЕМА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.07.07 - Контроль и испытания летательных аппаратов и

их систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О з МАР 2011

Красноярск - 2011

4856447

Работа выполнена в Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Антамошкин Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Малинкин Виталий Борисович

доктор технических наук, профессор Петров Михаил Николаевич

Ведущая организация:

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева

Защита состоится « 31 » мдртд_2011 г. в 14 часов на

заседании диссертационного совета ДС 212.023.02 при Сибирском государственном аэрокосмическом университете по адресу: 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31, ауд. П-207.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат разослан _ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного со

М.В. Лукьяненко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена решению технической задачи по разработке системы приема телеметрической информации с применением быстродействующей платы сбора данных, позволяющей повысить качество и надежность приема в процессе проведения летных испытаний и эксплуатации летательных аппаратов.

Совершенствование контрольно - приемного оборудования является важным направлением в области проведения испытаний. Это обстоятельство определяется усложнением оборудования полезной нагрузки, а так же служебных систем летательных аппаратов и, следовательно, формированием более высоких требований к качеству и надежности приема телеметрической информации.

В силу необходимости обрабатывать растущие потоки данных телеметрической информации с оборудования полезной нагрузки (датчики, научно-исследовательские измерительные приборы), а так же служебных систем космических и летательных аппаратов, регистрация данных при помощи приемного оборудования с единичным доступом становится затруднительной. Так же серьезную проблему представляют сбои в приеме телеметрии, так как при увеличении плотности потока данных повышается вероятность возникновения неоднозначных событий (когда сбой приема может быть интерпретирован как отказ бортового оборудования). Для исключения неоднозначностей (снижения вероятности их возникновения) качество приема и обработки телеметрической информации должно повышаться в соответствии с возрастанием плотности потока данных и увеличением количества потоков.

Таким образом, возникает потребность в создании системы приема, позволяющей осуществлять сбор данных в автоматическом режиме с возможностью организации множественного доступа с автоматизированных рабочих мест операторов. При этом необходимо обеспечить прием и обработку сигнала с минимальными вероятностью появления ошибок и временем восстановления после сбоя.

Поэтому возникает задача разработки системы приема телеметрической информации, основанной на ПК-интегрированной плате сбора данных, позволяющей с достаточной достоверностью обрабатывать и записывать телеметрическую информацию в режиме реального времени.

Целью работы является обеспечение множественного доступа и повышение надежности приема телеметрической информации при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов.

Задачи исследования.

1. Выявление особенностей приема телеметрической информации при испытаниях летательных аппаратов.

2. Анализ традиционных способов приема и обработки

3

телеметрической информации летательных аппаратов.

3. Определение архитектуры предлагаемой системы приема телеметрической информации.

4. Разработка способа преобразования частоты сигнала телеметрической информации, от подсистемы промежуточной обработки сигнала до подсистемы сбора данных.

5. Аппаратная реализация системы приема телеметрической информации.

6. Разработка имитационной модели предлагаемой системы приема телеметрической информации, позволяющей производить сравнительный анализ различных схем приемного оборудования.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

1. Сформирована архитектура системы приема телеметрической информации, позволяющая осуществлять сбор и хранение данных в автоматическом режиме, в реальном времени, с поддержкой множественного доступа с автоматизированных рабочих мест операторов.

2. Предложен способ преобразования частоты сигналов телеметрической информации без выделения модулирующего напряжения с возможностью автоподстройки частоты гетеродина, позволяющий снизить вероятность появления ошибок и время восстановления после сбоя.

3. На основе предложенной архитектуры и способа преобразования частоты сигнала телеметрической информации разработана система приема телеметрической информации, позволяющая повысить надежность приема и обеспечить множественный доступ с автоматизированных рабочих мест операторов,

4. С использованием построенной имитационной модели системы показано, что предложенная система приема телеметрической информации позволяет снизить вероятность появления ошибок при приеме по сравнению с традиционно используемыми системами.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная схема системы приема телеметрической информации позволяет упростить аппаратную обработку сигнала при испытаниях наряду с повышением надежности и расширением возможностей за счет организации множественного доступа и распределения потоков информации программными средствами.

2. Предложенный способ преобразования частоты сигналов с дискретной частотно-фазовой модуляцией позволяет создавать преобразователи, работающие без перехода на модулирующее напряжение, допускающие резервирование и обеспечивающий возможность автоподстройки частоты.

3. Разработан прибор для преобразования частоты сигналов

телеметрической информации в составе системы приема.

5. Проведена аппаратная реализация подсистемы понижения частоты телеметрической информации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссергации докладывались автором на следующих конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция «современный университет: наука, образование, культура», Иркутск, 2005 г.; Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие», Красноярск, 2005 г., 2006 г.; XI Международная научная конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетных систем М.Ф. Решетнева, Красноярск, "2007 г., 2009 г.Итоговая научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых - лауреатов конкурса «Ползуновские гранты» «Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу», Барнаул, 2007 г.; Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «X Королевские чтения», Самара, 2009 г.; II Международная научно-практическая конференция «Наука и современность - 2010» г. Новосибирск, 2010 г.

Результаты работы опубликованы в 11 статьях из них 2 по перечню

ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 34 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены особенности приема телеметрической информации (ТМИ) при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов. Рассмотрены характеристики и особенности работы приемного оборудования.

Поставлена техническая задача, состоящая в определении структуры системы приема, основанной на применении оборудования сбора данных, позволяющего в режиме реального времени оцифровывать сигнал ТМИ и обрабатывать его программными средствами.

Рассмотрен физический интерфейс передачи ТМИ в структуре БИТС-2Т, представленный потенциальным кодом Манчестер II (рис.1).

Телеметрическая информация передается кадрами, имеющими длину 4421 бит. Скорость передачи информации составляет 1000 бит/с и 8000 бит/с. Назначение сегментов кадра ТМИ представлено в таблице 1.

Таблица 1- Назначение сегментов кадра ТМИ

Синхропосылка Командное слово Тестовое слово Служебное слово Информационная часть

31 бит 30 бит 8 бит 256 бит 4096 бит

Синхропосылка содержит 31 разряд и обеспечивает поддержку кадровой синхронизации системы приема ТМИ

(11111.00011.01110.10100.00100.101100), передается первым разрядом вперед. Командное слово определяет режим работы телеметрической системы. Структура командного слова приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Структура командного слова

Информационные разряды Проверочные разряды Информационные разряды Проверочные разряды

0 ... 3 4 ... 14 0 ... 3 4 ... 14

Тестовое слово содержит 8-ми разрядный номер в 8-меричной системе счисления, который определяется кроссировкой бортовой телеметрической аппаратуры. Передается старшим разрядом вперед. Структура тестового слова приведена в таблице 3.

Информационная часть содержит 512 8-разрядных слов, передается старшими разрядами вперед.

Телеметрическая информация передается бидвоичным кодом. "Код1" передается кодом "10", "КодО" передается кодом "01". Таким образом, кадр ТМИ полностью кодируется потенциальным кодом, соответствующим коду «Манчестер-Н». Параметры информационных импульсов "КодО" и "Код1" приведены в таблице 3.

Физический интерфейс передачи ТМ-информации в структуре БИТС-2Т, передаваемой при помощи потенциального кода Манчестер II представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Физический интерфейс ТМИ в структуре БИТС-2Т

Код Манчестер II является кодом с избыточностью, логическая единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, ноль положительным перепадом. На границах битового интервала сигнал, если это необходимо, меняет значение, "готовясь" к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.

Критерием ошибки является "замораживание" сигнала на одном уровне на время, превышающее время передачи одного информационного бита.

Таблица 3 - Параметры импульсов «КодО» и «Код!»

Параметр Значение

Период, Т 0,9765625мс

Асинхронная задержка между "кодО"и"код1",Т 2мкс

Длина данных 2048 бит

Длительность импульса по уровню 0.5 Цвых 1 - 2.5 мке

Длительность фронта импульса по уровню 0.1 - 0.9 Не более 0.4 мке

Время между ТМ - форматами или Т/2

ТМ - кадрами

Напряжение импульса 8 -11 В

Превышение на фронте роста: Амплитуда Продолжительность ЗВ не более 0.5мкс

Полное сопротивление источника не более 130 Ом не более 100 пФ

Сопротивление нагрузки Не более 500 Ом Не более 1500 пФ ЯС не более 1.3 мке

Скорость передачи информации 1000 и 8000 бит/с

Фрагмент сигнала несущего напряжения, модулированного входной последовательностью битов представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Сигнал ТМИ. В центре - фазовая манипуляция

Обработка сигналов с дискретной частотно-фазовой модуляцией (ЧФМ) связана с рядом трудностей, которые обусловлены необходимостью передавать без искажений фазовую манипуляцию, представляющую собой кратковременную сдвижку фазы несущих колебаний. При передаче данных в потоковом режиме задержка обработки на время, сравнимое с периодом несущей частоты может значительно увеличить вероятность появления ошибок или привести к сбою синхронизации, что сделает дальнейшую обработку текущего кадра ТМИ невозможной.

Проведен сравнительный анализ традиционных систем приема ТМИ с применение понижения частоты сигнала путем выделения модулирующего напряжения, а так же с применением прямого детектирования.

Традиционные системы приема ТМИ по принципу построения можно разделить на две группы: системы прима с понижением частоты несущих колебаний за счет выделения модулирующего напряжения и системы приема с непосредственным детектированием сигнала. Системы приема, построенные таким образом, обладают следующими основными недостатками: необходимость использования широкополосных детекторов и усилителей на промежуточном этапе преобразования; случайная начальная фаза сигнала на выходе; отсутствие возможности горячего резервирования; значительное время восстановления после ошибки; отсутствие автоподстройки частоты; затруднительная организация множественного доступа.

С точки зрения результата обработки информации это приводит к увеличению вероятности ошибок, повышенному времени восстановления системы после сбоя, а так же трудностям при обработке принимаемой ТМИ.

Во второй главе сформирована архитектура предлагаемой системы приема ТМИ (рис.3).

На рисунке 3 приняты обозначения: 1 - малошумящее устройство; 2 - широкополосный конвертер Vertex RSI; 3 - блоки преобразователя частоты в составе подсистемы понижения частоты; 4 - блок сбора данных; 5 - центральная ЭВМ; 6 - сетевой концентратор; 7 - автоматизированные рабочие места операторов.

Рассмотрена работа подсистемы промежуточной обработки сигнала в составе системы приема телеметрической информации. Основным оборудованием подсистемы промежуточной обработки является широкополосный конвертер Vertex RSI.

Вход конвертера Vertex RSI соединен с выходом малошумящего устройства (МШУ), расположенного в непосредственной близости приемной антенны.

Приемная антенна

Подсистем промежуточной обработки сигнала

Рисунок 3 - Архитектура системы приема телеметрической информации

Конвертер управляет работой МШУ и других устройств контрольно-измерительной станции по средствам внешних интерфейсов. На выходе конвертера Vertex RSI формируется сигнал ТМИ на первой промежуточной частоте 70 МГц.

Приведен обзор программно-аппаратных комплексов подсистемы сбора данных. Рассмотрены программно-аппаратные комплексы: БИн25-1202; БШ2-8РС1; DAQ-2005; БИн25-1202; DAQ - 2010; DAQ 22-04. Для работы в составе подсистемы сбора данных ТМИ выбрано оборудование БИн25-120,2, как наиболее подходящее по рабочим параметрам. Заявленные технические характеристики платы приведены ниже.

Системный интерфейс: 32 бит, 33 МГц, 5V PCI Rev.2.1. Режимы обмена: Мастер и/или программный. Скорость передачи, данных по системному интерфейсу: до 120 Мбайт/с. Скорость ввода данных в буферную память: до 400 Мбайт/с. Буферная память FIFO: 16К 32-разрядных слов тракта ввода, 16К 16-разрядных слов тракта вывода. Цифровой порт для управления внешними устройствами: 16 разрядов на ввод, 8 или 16 разрядов на вывод. Синхронизация: внутренняя от кварцевых генераторов 40МГц и 60МГц, внутренняя от тактовой частоты PCI, внешняя от генераторов (до 60МГц), синхронизация от одного из аналоговых входов. Старт/останов процесса ввода отсчетов: программный, пороговый, 256 уровней в диапазоне ±2,5В. Технические характеристики канала аналогового вывода: разрядность цифро-аналогового преобразователя (ЦАЦ) 14 бит, время установления 62нс, интегральная линейность 12 бит, время установления ЦАП не более 40 не с точностью 0,1%, восстанавливающий активный ФНЧ 2-го порядка Fcp = 1 МГц, выходное сопротивление буферного усилителя 50 Ом ±1%. Максимальная амплитуда на нагрузке 50 Ом: при включенном пассивном ФНЧ ±0,5В, при включенном активном ФНЧ +1В. Потребляемые токи: не более 0,615 А по цепи +5В, не более 0,265 А по цепи +12В, не более 0,165 А по цепи -12В, не более 0,1 А по цепи +3,3B (если питание 3,3В подаётся от системного разъема).

Разработана подсистема понижения частоты сигнала в составе системы приема. Основной функцией подсистемы понижения частоты является преобразование первой промежуточной частоты сигнала ТМИ для обеспечения качественной обработки сигнала ТМИ средствами подсистемы сбора данных.

Предложен способ преобразования частоты сигнала телеметрической информации, позволяющий снизить вероятность появления ошибок при приеме. Предложенный способ основан на принципе преобразования пршшмаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты с последующим ее усилением. На рисунке 4 представлена блок-схема, поясняющая предложенный способ преобразования частоты.

АПЧГ

Рисунок 4 - Предложенный способ преебразования частоты

Отличием от традиционных схем супергетеродинных преобразователей является отсутствие в схеме преобразования реактивных связей, что позволяет обрабатывать сигналы с дискретной частотно-фазовой модуляцией, а так же увеличивает ширину полосы пропускания.

В третьей главе приведено описание аппаратной реализации разработанной системы приема ТМИ.

Блок-схема разработанного устройства (конвертер) в составе подсистемы понижения частоты, реализующего предложенный способ, представлена на рисунке 5.

На рисунке 5 приняты обозначения: 1 - вход устройства на частоте 70 МГц; 2 - первое звено преобразователя (первый смеситель, первый гетеродин); 2 - второе звено преобразователя (второй смеситель, второй гетеродин); 4 - формирователь сигнала АЛЧГ и контрольного сигнала (сборка УПЧЗ-2); 5 - выход устройства на частоте 6,5 МГц; 6 - усилитель контрольного сигнала; 7 - контрольный динамик; 8 - плата источника питания; 9 - сетевой трансформатор; 10 - разъем для подключения питания 220 В.

Принципиальная схема разработанного устройства представлена на рисунке 6. Обвязка каждого звена Б042Р минимальна и содержит входной контур, выходной контур, подключенные непосредственно к выводам микросхем, контур сдвига частоты и конденсаторы, необходимые для работы интегрированного в микросхему гетеродина.

Входной сигнал на частоте 70МГц поступает на катушку связи 1Л параллельного колебательного ЬС контура (далее по тексту - контура, т.к. последовательных не содержится) С2-Ь2. Связь между выходом

малошумящего устройства и катушкой Ы непосредственная и потому не приводит к искажению фазы входного сигнала. Г2-С2 - единственный контур, настроенный на частоту входного сигнала. После настройки конвертера его параметры не корректируются.

Рисунок 6 - Принципиальная схема конвертера

Катушка Ь2 подключена непосредственно к входу микросхемы. С6 и 13 представляют собой контур сдвига частоты и настраиваются на частоту:

/п = /в + /л1 >

где /г) - частота первого гетеродина, /е - частота входа (70 МГц), /„; -первая промежуточная частота (32 МГц). Таким образом первый гетеродин настраивается на частоту:

/п -102МГц.

На выходе первого звена конвертера (выводы 2 и 3) так же установлен параллельный контур Ь4-С10, причем катушка Ь4 выполнена с отводом от середины, это необходимо, чтобы осуществить питания микросхемы. Кроме того, такое решение повышает нагрузочную способность выхода микросхемы в 1,5 раза благодаря тому, что колебания на выводах 2 и 3 противофазные (двутактный режим работы встроенного в микросхему усилителя радиочастоты). На выводах 2 и 3 формируется ЧФМ сигнал, точно копирующий входной, но с частотой 32 МГц (первая промежуточная частота).

Через катушку связи Ь5 (для контура Ь4-С10) сигнал на первой промежуточной частоте поступает на вход второго звена конвертера, выполненного аналогично первому. Контур Ь6-С14 настроеп на частоту 38,5 МГц. В результате на выходе смесителя формируется сигнал с несущей частотой 6,5 МГц. Этот сигнал так же точно копирует входной.

Катушка связи Ь8 контура Ь7-С17 является общей для подачи сигнала на выходной разъем конвертера и на вход сборки УПЧЗ-2 (вывод 3).

Опорное напряжение системы АПЧГ формируется на выводе 5 ■ сборки УПЧЗ-2. Это напряжение подастся через резисторы 116, И4, КЗ на анод варикапа \Т)2. Катод и анод\^2 соединены через развязывающие конденсаторы С4 и С9 с контуром сдвига частоты первого гетеродина. Резистор Л9 представляет собой делитель напряжения, который через К7 позволяет в небольших пределах менять постоянный уровень напряжения на выводах варикапа и задавать тем самым «ноль» системы АПЧГ. Этот уровень так же настраивается один раз и остается постоянным на протяжении всей эксплуатации конвертера.

Вид сигнала ТМИ, модулированного входной последовательностью битов, снимаемого с выхода конвертера на частоте 6,5 МГц, представлен на

Параметры построенного устройства преобразования частоты приведены в таблице 4.

Разработана имитационная модель системы приема ТМИ, позволяющая экспериментально оценивать вероятность появления ошибки для различных схем приема, показала снижение вероятности появления ошибок на 12% для предложенного способа обработки сигнала ТМИ по сравнению с традиционными способами. Схема стенда дли испытаний системы приема данных ТМИ на основе разработанного конвертера представлена на рисунке 8.

Таблица 4 - Рабочие параметры оборудования подсистемы понижения частоты

параметр значение

входная частота 70 МГц

выходная частота 6,5 МГц

волновое сопротивление со стороны входа 50 Ом

волновое сопротивление на выходе 50 Ом

вид модуляции ЧФМ

ширина полосы не менее 29 МГц

уровень собственного шума не хуже -40 дБ

Чувствительность не хуже 0,125 В

амплитуда сигнала на выходе не менее 0,5 В

_1_1_

БСД NI-PXS

Рисунок 8 - Блок-схема испытательного стенда конвертера

На рисунке 8 приняты обозначения.: i - генератор псевдослучайной последовательности двоичных чисел; 2,- синтезатор частот Hameg 505 М;

3 - тестируемый конвертер 70 МГц - 6,5 МГц.

Генератор псевдослучайной последовательности двоичных чисел формирует прямоугольные импульсы с частотой 16 кГц, имитирующие поток телеметрической информации со скоростью 8000 бит/с.

Поток данных, имитирующих ТМИ, поступает на вход модуляции

синтезатора частот, формирующего сигнал, модулированный входной последовательностью битов на несущей частоте 70 МГц.

Конвертер выполняет преобразование несущей частоты и формирует на выходе сигнал ТМИ на частоте 6,5 МГц.

Выход конвертера соединен с входом блока сбора данных (БСД) измерительной станции National Instruments PXI. Второй вход БСД подключен к генератору случайной последовательности двоичных чисел и регистрирует исходную последовательность.

Данные, регистрируемые БСД, поступают на обрабатывающую станцию, где происходит сравнение исходной последовательности битов с последовательностью, полученной на выходе конвертера.

Произведен эксперимент по сравнению вероятности возникновения ошибки для систем приема с выделением модулирующего напряжения и с применением разработанного конвертера. Объем данных, обработанных за время одного цикла эксперимента, составил 28798394 бит, что соответствует 3257 кадрам ТМИ в стандарте БИТС-2Т, с учетом избыточности кода Манчестер-П. Передача данных осуществлялась- на скорости 8000 бит/с.

В результате сравнения последовательности битов, записанной через конвертер 70МГц - 6,5 МГц, объем данных, переданных с ошибками составил 1392402 бит.

Таким образом, вероятность появления ошибок при передаче данных через разработанный конвертер составляет 0,04835.

При проведении испытаний системы приема ТМИ, использующей выделение модулирующего напряжения блок-схема испытательного стенда выглядит так же как на рисунке 8, только вместо конвертера используется широкополосный сканирующий приемник ICOM PCR1000A.

При аналогичном передаваемом объеме исходных данных, данные, переданные с ошибками составили 5045651 бит, что соответствует вероятности появления ошибок 0,17520.

В ходе эксперимента произведено 20 циклов записи информации для разработанного конвертера и 20 циклов для оборудования, имитирующего систему приема с выделением модулирующего напряжения, на скорости 8000 бит/с.

Для системы приема, построенной по схеме, представленной на рис. 8 95 -процентный доверительный интервал рассчитывается как

Xcpje» = Х б ±2,093

■in

где Хсрген - генеральное среднее значение вероятности появления ошибки; Хср.тб - среднее значение выборки (20 циклов эксперимента); 8 -максимальное отклонение вероятности появления ошибки в пределах выборки; п - количество элементов в выборке; 2,093 - значение t-критерия Стьюдента для и=20 и достоверности доверительного интервала 95 %.

Таким образом 95-% доверительный интервал экспериментальных значений вероятности появления ошибки для_предложенной системы приема ТМИ, составляет:

= 0,04857 + 2,093 °'01326 = 0,04857 ± 0,0062. ф'и" 4,4722

Для системы приема ТМИ, на основе схемы с выделением модулирующего напряжения 95-% доверительный интервал экспериментальных значений вероятности появления ошибки составляет:

= 0,17617 ± 2,093 °'00373 = 0,17617 + 0,00175. ср"п 4,4722

В процентном выражении вероятность появления ошибки: для системы приема, основанной на разработанном конвертере: 4,9± 0,6 %; для системы приема с выделением модулирующего напряжения: 17,6 ± 0,2 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты и выводы данной работы заключаются в следующем.

1. Определены особенности сигнала телеметрической информации, имеющие значения при ее приеме, в условиях проведения испытаний и эксплуатации летательных аппаратов:

- дискретная частотно-фазовая модуляция;

- малая длительность фазовой манипуляции;

- потенциальный код Манчастер-2;

- наличие синхропосылки.

2. Проведен анализ традиционных способов приема и обработки телеметрической информации при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов. Выявлены основные недостатки: значительная вероятность появления ошибок, значительное время восстановления после сбоя, затруднения при организации множественного доступа.

3. Предложена архитектура системы приема телеметрической информации, позволяющая обеспечить множественный доступ к потоку телеметрической информации с автоматизированных рабочих мест операторов.

4. Предложен способ преобразования частоты сигнала телеметрической информации, позволяющий снизить вероятность появления ошибок при приеме. Снижение вероятности появления ошибок достигается за счет преобразования частоты без перехода на модулирующее напряжение.

5. Проведена аппаратная реализация предложенного способа преобразования частоты сигналов в составе системы приема телеметрической информации, с использованием супергетеродинных преобразователей с непосредственными связями.

6. Разработана имитационная модель системы приема телеметрической информации, позволяющая производить сравнительный

анализ различных схем приемного оборудования. В результате сравнения предложенной системы приема с традиционно-используемыми, показано снижение вероятности появления ошибок при приеме на 12%.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Большаков, Л-А. Преобразование „частоты сигналов с дискретной частотно-фазовой модуляцией без выделения модулирующего напряжения / Д.А. Большаков // Приборы : науч.-техн., произв. и справ, журн. / СОО «Международное НПО приборостроителей и метрологов». - 2010. - № 5 (119). - С. 31-35.

2. Большаков, Д.А. Обработка сигналов с фазовой манипуляцией способом прямого преобразования / Д.А. Большаков // Молодой учёный: науч. журн. - 2010. - № 7 (18). - С. 12-16.

3. Большаков, Д.А. Обработка сигналов с дискретной частотно-фазовой модуляцией без перехода на моделирующее напряжение / Д.А. Большаков // Наука и современность - 2010 : сб. материалов II Междунар. науч.-практ. конф. : в 3 ч. Ч. 2 / под общ. ред. С.С. Чернова. -Новосибирск: Изд-во «СИБПРИН'Г», 2010. - С. 4-6.

4. Пат. 82396 Российская Федерация, МПК, H04L 27/14. Устройство для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией / Д.А. Большаков. - № 2008147578; заявл. 02.12.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11.-2 с.

5. Пат. 96703 Российская Федерация. Генератор переменного электрического поля / Д.А. Большаков, A.B. Синица, А.Ю. Власов. -№ 2010109717; заявл. 15.03.2010; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 51. - 1 с.

6. Большаков, Д.А. Технологические аспекты создания лаборатории электронных систем / Д.А. Большаков // Материалы VII междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерал, конструктора ракет.-космич. систем, им. академика М.Ф. Решетнева (10-12 ноября 2008, г. Красноярск) / под. общ. ред. И.В. Ковалева; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, - Красноярск, 2008. -С. 407-408.

7. Большаков, Д.А. Современные технологии разработки инженерных моделей бортовых приборов космических аппаратов / Д.А. Большаков // Материалы науч.-техн. конф. молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решетнева. - Железногорск, 2008. - С. 8.

8. Большаков, Д.А. Разработка системы для исследования ЭМС бортовой кабельной сети КА / Д.А. Большаков // X Королевские чтения: Всерос. молодежная науч. конф. с междунар. участием (6-8 октября 2009, г. Самара). - Самара: Самар. гос. аэрокосмич. ун-т, 2009. - С. 48-49.

9. Большаков, Д.А. Конвертер для работы с сигналами с частотно-фазовой модуляцией / Д.А. Большаков // Наука. Технологии. Инновации :

материалы Всерос. науч. конф. молодых ученых: в 7 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - Ч. 2. - С. 24-26.

10. Большаков, Д.А. Преобразователь частоты частотно-фазо-модулированных сигналов / Д.А. Большаков // Молодежь и наука - третье тысячелетие: сб. материалов Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: Ч. II / сост. В.В. Сувейзда; КРО НС «Интеграция». -Красноярск, 2006. - С. 44-47.

11. Большаков, Д.А. Прибор для исследования защитных свойств радиационных экранов «РАДЭК» / Д.А. Большаков // Решетневские чтения: материалы XI Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерал, конструктора ракет.-космич. систем им. академика М. Ф. Решетнева (5-10 ноября 2007, г. Красноярск) / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2007.-С. 102-104.

Большаков Дмитрий Андреевич

Распределенная система приема телеметрической информации при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов

Автореферат

Подписано к печати 15.02.2011 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 33 ~

Отпечатано в отделе копировальной и множительной техники СибГАУ 660014 г. Красноярск, пр. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

Введение.

1. Особенности приема телеметрической информации при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов.

1.1 Работа системы приема в различных режимах проведения испытаний.

1.1.1 Работа в штатных ситуациях.

1.1.2 Работа при тестовых проверках.

1.1.3 Режим приема телеметрической информации.

1.2 Особенности приема и обработки данных телеметрической информации!

1.2.1 Структура информации в выделенном канале телеметрической информации.

1.2.2 Структура сигнала телеметрической информации.

1.2.3 Физический интерфейс сигнала телеметрической информации.

1.3 Анализ используемых систем приема телеметрической информации.

1.3.1 Прием телеметрической информации с понижением частоты сигнала путем выделения модулирующего напряжения.

1.3.2 Прием телеметрической информации путем прямого детектирования.

Выводы.

2. Подсистемы системы приема телеметрической информации.

2.1 Архитектура системы приема телеметрической информации.

2.2 Подсистема промежуточной обработки сигнала в составе системы приема телеметрической информации.

2.3 Программно-аппаратные комплексы подсистемы сбора данных.

2.4. Подсистема понижения частоты в составе системы приема телеметрической информации.

2.5 Преобразование частоты сигнала телеметрической информации без выделения модулирующего напряжения.

Выводы.

3. Распределенная система приема телеметрической информации при испытании и эксплуатации летательных аппаратов.

3.1 Аппаратная реализация подсистемы понижения частоты в составе системы приема телеметрической информации.

3.1.1 Блок-схема разработанного устройства преобразования частоты в составе подсистемы понижения частоты.

3.1.2 Принципиальная схема разработанного устройства преобразования частоты в составе подсистемы понижения частоты.

3.1.3 Данные моточных узлов.

3.1.4. Конструкция источника питания.

3.1.5. Конструктивное исполнение конвертера.

3.2. Интегральные микросхемы преобразования частоты для работы с сигналами с дискретной частотно-фазовой модуляцией.

3.3 Расчет системы автоподстройки частоты гетеродина.

3.3.1 Функциональная схема.

3.3.2 Элементы системы и их математическое описание. Структурная схема

3.4 Имитационная модель системы приема телеметрической информации. 98 3.4.1 Описание имитационной модели системы приема телеметрической информации.

3.4.2 Эксперимент по оценке вероятности появления ошибок при приеме разработанной системы прием телеметрической информации на имитационной модели.

3.4.3 Эксперимент по оценке вероятности появления ошибок при приеме традиционной системы приема телеметрической информации.

3.4.4 Обработка результатов экспериментов.

Выводы.

Актуальность темы. Работа посвящена решению технической задачи по разработке системы приема телеметрической информации с применением быстродействующей платы сбора данных, позволяющей повысить качество и надежность приема в процессе проведения летных испытаний и эксплуатации летательных аппаратов.

Совершенствование контрольно - приемного оборудования является важным направлением в области проведения испытаний. Это обстоятельство определяется усложнением оборудования полезной нагрузки, а так же служебных систем летательных аппаратов и, следовательно, формированием более высоких требований к качеству и надежности приема телеметрической информации.

В силу необходимости обрабатывать растущие потоки данных телеметрической информации с оборудования полезной нагрузки (датчики, научно-исследовательские измерительные приборы), а так же служебных систем космических и летательных аппаратов, регистрация данных при помощи приемного оборудования с единичным доступом становится затруднительной. Так же серьезную проблему представляют сбои в приеме телеметрии, так как при увеличении плотности потока данных повышается вероятность возникновения неоднозначных событий (когда сбой приема может быть интерпретирован как отказ бортового оборудования). Для исключения неоднозначностей (снижения вероятности их возникновения) качество приема и обработки телеметрической информации должно повышаться в соответствии с возрастанием плотности потока данных и увеличением количества потоков.

Таким образом, возникает потребность в создании системы приема, позволяющей осуществлять сбор данных в автоматическом режиме с возможностью организации множественного доступа с автоматизированных рабочих мест операторов. При этом необходимо обеспечить прием и обработку сигнала с минимальными вероятностью появления ошибок и временем восстановления после сбоя.

Поэтому возникает задача разработки системы приема телеметрической информации, основанной на ПК-интегрированной плате сбора данных, позволяющей с достаточной достоверностью обрабатывать и записывать телеметрическую информацию в режиме реального времени.

Целью работы является обеспечение множественного доступа и повышение надежности приема телеметрической информации при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов.

Задачи исследования.

1. Выявление особенностей приема телеметрической информации при испытаниях летательных аппаратов.

2. Анализ традиционных способов приема и обработки телеметрической информации летательных аппаратов.

3. Определение архитектуры предлагаемой системы приема телеметрической информации.

4. Разработка способа преобразования частоты сигнала телеметрической информации, от подсистемы промежуточной обработки сигнала до подсистемы сбора данных.

5. Аппаратная реализация системы приема телеметрической информации.

6. Разработка имитационной модели предлагаемой системы приема телеметрической информации, позволяющей производить сравнительный анализ различных схем приемного оборудования.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

1. Сформирована архитектура системы приема телеметрической информации, позволяющая осуществлять сбор и хранение данных в автоматическом режиме, в реальном времени, с поддержкой множественного доступа с автоматизированных рабочих мест операторов.

2. Предложен способ преобразования частоты сигналов телеметрической информации без выделения модулирующего напряжения с возможностью автоподстройки частоты гетеродина, позволяющий снизить вероятность появления ошибок и время восстановления после сбоя.

3. На основе предложенной архитектуры и способа преобразования частоты сигнала телеметрической информации разработана система приема телеметрической информации, позволяющая повысить надежность приема и обеспечить множественный доступ с автоматизированных рабочих мест операторов.

4. С использованием построенной имитационной модели системы показано, что предложенная система приема телеметрической информации позволяет снизить вероятность появления ошибок при приеме по сравнению с традиционно используемыми системами.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная схема системы приема телеметрической информации позволяет упростить аппаратную обработку сигнала при испытаниях наряду с повышением надежности и расширением возможностей за счет организации множественного доступа и распределения потоков информации программными средствами.

2. Предложенный способ преобразования частоты сигналов с дискретной частотно-фазовой модуляцией позволяет создавать преобразователи, работающие без перехода на модулирующее напряжение, допускающие резервирование и обеспечивающий возможность автоподстройки частоты.

3. Разработан прибор для преобразования частоты сигналов телеметрической информации в составе системы приема.

5. Проведена аппаратная реализация подсистемы понижения частоты телеметрической информации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались автором на следующих конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция «современный университет: наука, образование, культура», Иркутск, 2005 г.; Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука — третье тысячелетие», Красноярск, 2005 г., 2006 г.; XI Международная научная конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетных систем М.Ф. Решетнева, Красноярск, 2007 г., 2009 г.Итоговая научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых — лауреатов конкурса «Ползуновские гранты» «Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу», Барнаул, 2007 г.; Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «X Королевские чтения», Самара, 2009 г.; II Международная научно-практическая конференция «Наука и современность - 2010» г. Новосибирск, 2010 г.

Результаты работы опубликованы в 11 статьях из них 2 по перечню ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 34 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 14 таблиц.

Основные результаты и выводы данной работы заключаются в следующем.

1. Определены особенности сигнала телеметрической информации, имеющие значения при ее приеме, в условиях проведения испытаний и эксплуатации летательных аппаратов:

- дискретная частотно-фазовая модуляция;

- малая длительность фазовой манипуляции;

- потенциальный код Манчастер-2;

- наличие синхропосылки.

2. Проведен анализ традиционных способов приема и обработки телеметрической информации при испытаниях и эксплуатации летательных аппаратов. Выявлены основные недостатки: значительная вероятность появления ошибок, значительное время восстановления после сбоя, затруднения при организации множественного доступа.

3. Предложена архитектура системы приема телеметрической информации, позволяющая обеспечить множественный доступ к потоку телеметрической информации с автоматизированных рабочих мест операторов.

4. Предложен способ преобразования частоты сигнала телеметрической информации, позволяющий снизить вероятность появления ошибок при приеме. Снижение вероятности появления ошибок достигается за счет преобразования частоты без перехода на модулирующее напряжение.

5. Проведена аппаратная реализация предложенного способа преобразования частоты сигналов в составе системы приема телеметрической информации, с использованием супергетеродинных преобразователей с непосредственными связями.

6. Разработана имитационная модель системы приема телеметрической информации, позволяющая производить сравнительный анализ различных схем приемного оборудования. В результате сравнения предложенной системы приема с традиционно-используемыми, показано снижение вероятности появления ошибок при приеме на 12%.

Заключение

1. Регламент радиосвязи / М.: Радио и связь, 1985 509 с.

2. Спутниковая связь и вещание: Справочник / под ред. Л.Я.Кантора. —- М.: Радио и связь, 1997. — 528 с.

3. Ушаков И.А. Надежность технических систем / Ушаков И.А —М.: Радио и связь, 1985. -606 с.

4. Знаменская А.М., Шведов В.П., Лимар П.С. Информационные измерительные системы для летных испытаний самолета и его оборудования / Знаменская А.М. М.: Машиностроение, 1984. - 286 с.

5. Intelsat Earth Station Standards (IESS). Doc. IESS-207 (Rev3) Standards, F and H. Antenna and wideband RF performance characteristics.

6. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы / Цапенко М.П. М.: Энергия, 1974.-203 с.

7. Махонькин Г.Е,. Павлова З.А,. Фальков А.И. и др. Автоматизированная обработка результатов измерения при летных испытаниях / Махонькин Г.Е- М.: Машиностроение, 1983. 214 с.

8. Автоматизированные испытательные системы основа эффективных методов контроля космических и летательных аппаратов метеорологического и природно-ресурсного назначения / Адасько В.И., Долкарт В.М., Лукьянов Л.М., Телепин А.П. // Электротехника. 1991. № 9.

9. Задачи и структура летных испытаний самолетов и вертолетов / А.Д. Миронов, А.А. Лапин, Г.Ш. Меерович, Ю.И. Зайцев. М.: Машиностроение, 1982. 244 с.

10. Архитектура универсальной автоматизированной испытательной системы космических аппаратов на основе современных компьютерных средств / Лукьянов Л.М., Подлесный Э.С., Телепин А.П.//Труды ВНИИЭМ. М.: 1999. Т.99.

11. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента (планирование регрессионных экспериментов) / Федоров В.В. М.: Наука, 1971. - 413 с.

12. Кривошеев М.И., Бэрон С.Н. Цифровая передача изображения и звука / Кривошеев М.И. М.: Радио и связь, 1998. - 400 с.

13. Организация приема телеметрической информации при наземных испытаниях летательных аппаратов /Водар Д.М. и др.//Международная конференция "Глобальная радионавигация", М., 2000. -С. 51-54.

14. Летные испытания ракет и космических аппаратов / Под ред. Кринецкого. Е.И. М.: Машиностроение, 1979. — 310 с.

15. Postel J. et al. Transmission control protocol — protocol specification. RFC 793, September 1981.

16. Jacobson V, Braden R., Borman D. TCP extensions for high performance. RFC 1323, May 1992.

17. Техническая диагностика. ГОСТ 20911-75. M.: 1976.

18. Волков Л.Н., Шишкевич A.M. Надежность летательных аппаратов. / Волков Л.Н. М.: Высш. школа, 1975. —400 с.

19. Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т. Т. 6. Экспериментальная отработка и испытания / Под ред. P.C. Судакова и О.И. Тескина. М.: Машиностроение, 1989. -413 с.

20. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления измерений. М.: Изд-во стандартов, 1972.

21. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах / Гуткин Л.С. — М.: Советское радио, 1972. — 448 с.

22. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки / Питерсон У. — М.: Мир, 1976. 280 с.

23. Боднер В.А. Приборы первичной информации / Боднер В.А. -М. Машиностроение, 1981.

24. В.В. Глухов, И.М. Синдеев, М.М. Шемаханов. Авиационное и радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов / В.В. Глухов -М.:Транспорт, 1983.-313 с:

25. International Journal of Satellite Communications — Spécial Issue on ACTS, vol. 14, №3, May/June 1996.

26. Global Satellite Communications Technology and Systems. WTEC Panel Report. International Technology Research Institute/WTEC Division, 1995.

27. Большаков, Д.А. Обработка сигналов с фазовой манипуляцией способом прямого преобразования / Д.А. Большаков // Молодой учёный: науч. журн. — 2010. № 7 (18). - С. 12-16.

28. Пат. 82396 Российская Федерация, МПК, H04L 27/14. Устройство для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией / Д.А. Большаков. № 2008147578; заявл. 02.12.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11. - 2 с.

29. Пат. 96703 Российская Федерация. Генератор переменного электрического поля / Д.А. Большаков, А.В. Синица, А.Ю. Власов. № 2010109717; заявл. 15.03.2010; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 51. - 1 с.

30. Большаков, Д.А. Конвертер для работы с сигналами с частотно-фазовой модуляцией / Д.А. Большаков // Наука. Технологии. Инновации : материалы Всерос. науч. конф. молодых ученых: в 7 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Ч. 2. - С. 24-26.