Малогабаритная бортовая аппаратура формирования и передачи телеметрической информации беспилотного летательного аппарата
SMALL ONBOARD EQUIPMENT FOR FORMATION AND TRANSMISSION OF TELEMETRIC INFORMATION OF UNMANNED AERIAL VEHICLE

Предлагаемое изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах регистрации, хранения и передачи данных в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА).
При проведении летных испытаний БПЛА необходимо осуществлять дистанционный контроль ряда параметров испытываемого объекта, целью которого является оценка результатов функционирования для дальнейшей оптимизации систем и узлов.
Из уровня техники известна бортовая телеметрическая система «Орбита-4МТ» (Назаров А.В. и др., «Современная телеметрия в теории и на практике», издательство «Наука и техника», Санкт-Петербург, 2007, стр. 470-471), представляющая собой набор функционально законченных модулей и состоящая из центрального формирователя, шинного контроллера, модулей формирования измерительных каналов, вторичного источника питания и радиопередатчика метрового диапазона.
Применение бортовой телеметрической системы «Орбита-4МТ» позволяет дистанционно осуществлять контроль основных параметров БПЛА: цифровых телеметрических сигналов от узлов и систем БПЛА, сигналов с аналоговых датчиков, акселерометров, термопар и термосопротивлений.
Дополнительно, известная телеметрическая система позволяет осуществлять запоминание части телеметрической информации (например, телеметрической информации участков движения БПЛА, когда передача данных в радиоканал по объективным причинам неосуществима) во встроенное статическое запоминающее устройство (СЗУ) с дальнейшей передачей запомненной информации в основном информационном потоке.
Однако, недостаточный объем памяти СЗУ и невозможность использования телеметрической информации без передачи на наземную телеметрическую станцию, а также невозможность подключения к системе необходимого количества датчиков сужает область применяемости указанной телеметрической системы.
Кроме того, телеметрическая система «Орбита-4МТ» имеет большие габариты, а используемый диапазон частот (200-250 МГц) приводит к необходимости применения громоздкой антенны или антенных систем, что также, в совокупности, затрудняет применение изделия на БПЛА, особенно серийно выпускаемых.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой малогабаритной бортовой аппаратуре формирования и передачи телеметрической информации беспилотного летательного аппарата является устройство, защищенное патентом «Способ регистрации телеметрической информации беспилотного летательного аппарата и устройство для его реализации» (патент РФ №2595064, МПК B64D 47/00, G08C 19/00, опубл. 20.08.2016, Бюллетень №23).
Известное устройство, принятое за прототип, предназначено для регистрации телеметрической информации БПЛА и содержит не менее трех функциональных групп датчиков, модуль передачи телеметрической информации, интерфейсный модуль, состоящий из модуля обработки сигналов, съемного запоминающего модуля и средства для преобразования кадра, при этом модуль обработки сигналов включает в себя усилитель сигналов и преобразователь сигналов, при том выход каждой функциональной группы датчиков связан с соответствующим входом модуля обработки сигналов, первый выход модуля обработки сигналов связан с входом средства преобразования кадра, второй выход модуля обработки сигналов связан с первым входом съемного запоминающего модуля, выход средства преобразования кадра связан с первым входом модуля передачи телеметрической информации, первый выход модуля передачи телеметрической информации связан со вторым входом съемного запоминающего модуля, второй выход модуля передачи телеметрической информации связан со средством передачи телеметрической информации на наземную телеметрическую станцию по радиоканалу.
Принятое за прототип устройство, одновременно с передачей по радиоканалу, обеспечивает запись телеметрической информации на съемный запоминающий модуль для последующего анализа и обработки. Таким образом, существенно снижена зависимость достоверности и полноты полученных в результате летных испытаний БПЛА телеметрических данных от помеховой обстановки и качества радиоканала.
Однако, при проведении летного эксперимента извлечение съемного запоминающего устройства не всегда реализуемо. В случаях нештатной работы БПЛА, когда телеметрическая информация особенно необходима для анализа причин возникновения аварийной ситуации, возможно разрушение БПЛА или его утеря (например, при пролегании траектории движения БПЛА над протяженными морскими участками) с частичным или полным повреждением записанной информации.
В прототипе из патента «Способ регистрации телеметрической информации беспилотного летательного аппарата и устройство для его реализации» предполагается использовать в качестве модуля передачи телеметрической информации бортовую телеметрическую систему «Орбита» или подобные существующие конструктивно-технические решения, следствием чего является наследование недостатков указанных систем, таких, как большие габариты и необходимость применения громоздкой антенны или антенных систем, что усложняет процесс интегрирования, особенно в серийно выпускаемые изделия.
Известно, что при проведении летных испытаний БПЛА с воспроизведением телеметрической информации по радиоканалу возможна ее несанкционированная запись современными средствами радиоэлектронной борьбы, и, как следствие, компрометирование коммерческой и технической тайны. В качестве мер защиты применяются разнообразные организационно-технические мероприятия и решения, в том числе и специализированная аппаратура алгоритмического и аппаратного кодирования. При внедрении аппаратуры такого рода в прототип необходимо защитить и радиоканал, и записываемую на съемное запоминающее устройство информацию, так как при аварийном приземлении БПЛА в результате нештатных ситуаций заранее спрогнозировать точку приземления не представляется возможным, что может привести к несанкционированному считыванию записанной на съемное запоминающее устройство информации. Вследствие реализованных в прототипе принципов работы применение одного комплекта аппаратуры алгоритмического и аппаратного кодирования как для защиты радиоканала, так и записанной на съемное записывающее устройство информации затруднено, что накладывает ограничение на внедрение аппаратуры защиты информации на БПЛА, оснащенные такими телеметрическими системами.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности регистрации контролируемых по радиоканалу параметров БПЛА в сложных условиях приема, упрощении процедуры внедрения аппаратуры защиты информации от несанкционированного доступа, а также уменьшении габаритов аппаратуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритную бортовую аппаратуру формирования и передачи телеметрической информации беспилотного летательного аппарата, структурная схема которой приведена на фиг. 1, содержащую, по крайней мере, три функциональных группы датчиков (А, В, С), модуль передачи телеметрической информации, интерфейсный модуль, состоящий из модуля обработки сигналов (МОС) и средства преобразования кадра (СПК), при этом модуль обработки сигналов включает в себя аналого-цифровые преобразователи (АЦП), при том выход каждого датчика связан с входами модуля обработки сигналов, выход модуля обработки сигналов связан с входом средства преобразования кадра, выход средства преобразования кадра связан с входом передатчика (П) модуля передачи телеметрической информации, выход передатчика связан с входом постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), дополнительно введены: в интерфейсный модуль - преобразователи интерфейса (ПИ), входы которых связаны с составными частями БПЛА (И), выходы преобразователей интерфейса связаны с входами средства преобразования кадра; в интерфейсный модуль - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), вход и выход которого связаны соответственно с выходом и входом средства преобразования кадра, при этом в средство преобразования кадра введен специальный алгоритм формирования дублирующей информации с использованием оперативного запоминающего устройства; в модуль передачи телеметрической информации - интегрированная антенна (АИ). При необходимости защиты информации от несанкционированного доступа дополнительно может быть введен блок аппаратного и алгоритмического кодирования (КИ), вход которого связан с выходом средства преобразования кадра интерфейсного модуля, выход блока аппаратного и алгоритмического кодирования связан с входом передатчика модуля передачи телеметрической информации.
Сигналы с групп датчиков (А, В, С) передаются на входы 1 - Y модуля обработки сигналов (МОС) в интерфейсном модуле, где в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) производится перевод измеряемых аналоговых значений в дискретный цифровой поток. Все аналого-цифровые преобразователи идентичны, количество АЦП равно или больше суммарного количества используемых в телеметрической системе датчиков. Применение в АЦП расширенного входного динамического диапазона (0±34) вольта гарантированно обеспечивает преобразование сигналов датчиков любого типа (вибрационных, давления, температуры, акустики и т.п.) во всем диапазоне измеряемых значений.
Дискретный цифровой поток с выхода МОС передается на вход средства преобразования кадра (СПК). Одновременно на другие входы СПК через преобразователи интерфейса (ПИ) поступают телеметрические данные от составных частей БПЛА (И). Системы управления и составные части БПЛА для выдачи телеметрических и диагностических данных используют протоколы ГОСТ 18977-79, ГОСТ Р 52070-2003, RS-482/485 или RS-232. Для обеспечения совместимости с большинством современных модулей, применяемых на БПЛА, необходимо в состав телеметрического оборудования включать ПИ для всех указанных протоколов. При этом, в большинстве реализаций, исчезает необходимость применения внешних согласующих устройств, что уменьшает конечные габариты, упрощает проектирование кабельной сети, и, в совокупности, облегчает процесс интегрирования телеметрической системы в БПЛА.
Цифровые сигналы от составных частей БПЛА и датчиков преобразуются в СПК, сформированный кадр телеметрической информации поступает на передатчик (П) модуля передачи телеметрической информации, или, при необходимости защиты данных от несанкционированного доступа, на блок аппаратного и алгоритмического кодирования.
Также, при формировании телеметрического кадра, в СПК применен специальный алгоритм формирования дублирующей информации, для чего СПК осуществляет обмен данными с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) интерфейсного модуля.
Принцип алгоритма приведен на фиг. 4, и заключается в том, что сформированный кадр N телеметрической информации записывается в ОЗУ, одновременно из ОЗУ читается записанный ранее кадр N - ΔT, где ΔT - временной сдвиг. Далее, текущий кадр N и считанный кадр N - ΔT последовательно поступают на П модуля передачи телеметрической информации или КИ.
На фиг. 2 и фиг. 3 показан один из частных случаев применения алгоритма формирования дублирующей информации. При построении сложных траекторий БПЛА и применении следящих антенных систем на приемной стороне радиоканала, в точках поворота возможен временный срыв сопровождения (фиг. 2), следствием чего является потеря части телеметрических данных в основном потоке. Потерянная информация основного потока будет передана в дублирующем потоке через временной интервал AT, когда сопровождение БПЛА следящей антенной системой восстановлено (фиг. 3).
На фиг. 5 приведен результат работы алгоритма, полученный при проведении реальных летных испытаний БПЛА, на примере восстановления одного телеметрического параметра. В частном случае временной интервал AT выбран равным 30 секунд. Видно, что потеря данных в основном потоке (секунды 189,5-197,5) частично компенсирована суммированием данных с дублирующим потоком.
Применение алгоритма значительно повышает достоверность информации, обеспечивая надежную регистрацию телеметрических данных даже в условиях сложных траекторий движения БПЛА и плохой помеховой обстановки в районе проведения летного эксперимента.
Поступившие на П данные модулируются, усиливаются, и сформированный высокочастотный сигнал подается на интегрированную антенну (АИ) модуля передачи телеметрической информации.
Использование современных радиотехнических материалов и конструктивных решений позволяет отказаться от применения громоздких внешних антенн или антенных систем. Внешний вид модуля передачи телеметрической информации приведен на фиг. 6. Модуль передачи телеметрической информации выполнен в виде моноблока с одним низкочастотным соединителем для ввода информации от КИ или СПК. Отсутствие внешних антенных систем исключает необходимость применения высокочастотных соединителей и высокочастотных кабелей передачи, что уменьшает габариты системы и снижает энергетические потери в линиях связи.
Одновременно с передачей высокочастотного сигнала на АИ, П осуществляет обработку поступивших на его вход данных и записывает их на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Записанные в ПЗУ данные после завершения летных испытаний БПЛА могут быть считаны, обработаны и использованы для анализа.
При необходимости защиты информации от несанкционированного доступа может применяться КИ, вход которого связан с выходом СПК интерфейсного модуля, а выход - с входом П модуля передачи телеметрической информации. Преобразование информации в КИ осуществляется до ее записи в ПЗУ и передачи по радиоканалу, при этом необходим всего один КИ для защиты как радиоканала, так и данных, записываемых в ПЗУ.
Изготовленный по представленным чертежам и описанию один из вариантов реализации заявляемого изобретения, установленный на БПЛА, успешно использовался в ряде реальных летных испытаний.