СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD OF TELEMETRIC INFORMATION CONTROL

Настоящее изобретение относится к области информационных технологий и вычислительной техники. Способ предназначается преимущественно для контроля телеметрической информации. Изобретение может найти применение в различных областях науки и техники, производственных процессах, а именно в системах автоматики, при решении задач дистанционного контроля и управления объектами, анализа ТМИ.
Известен способ (см. Автоматическая аппаратура контроля радиоэлектронного оборудования» под ред. Пономарева Н.Н. - М.: Советское радио, 1975, с. 5-10 и 293-318) [1], включающий выбор с помощью коммутатора параметров, измерение параметров, преобразование параметров в цифровые данные, удобные для обработки на ЭВМ, регистрацию этих данных и их анализ, а также отображение и документирование результатов анализа.
Недостатком данного известного способа является его узкая специализация, ограниченная возможностями контроля технического состояния радиоэлектронного оборудования, что является недостаточным для оценки эффективности больших систем.
Известен способ (см. Патент РФ №2210112 «Унифицированный способ Чернякова / Петрушина для оценки эффективности больших систем», МПК: G06F 17/00, дата приоритета 07.06.2001) [2] оценки эффективности больших систем, включающих большое число контролируемых параметров.
Недостатком данного известного способа является его относительно невысокая достоверность и оперативность оценки состояния многопараметрических систем (МПС).
Известен способ (см. Патент РФ №2427875 - Способ контроля и анализа многопараметрических систем, дата приоритета 29.01.2010) [3], который позволяет отказаться от традиционного алгоритмического анализа МПС. Оценка выполняется на основе массива данных, полученных от МПС, выстраивая самоорганизующийся алгоритм контроля параметров МПС. Массив нормативов, необходимый для контроля, содержит информацию о соответствии каждого из параметров установленному значению, тем самым представляя собой множество параметров системы. Элементы этого оценочного множества могут принимать два оценочных значения: «соответствует», «не соответствует».
Недостаток состоит в том, что для его реализации требуется разработка сложного и дорогостоящего спецматобеспечения (СМО) для проведения сравнительной оценки каждого из контролируемых параметров с их эталонными значениями в реальном времени.
Проведению детального анализа бортовых систем КА предшествует сравнительный контроль соответствующих ТМ параметров, характеризующих их состояние на предмет соответствия или несоответствия реальных значений параметров эталонным значениям. В случае соответствия дальнейший анализ не требуется. При обнаружении несоответствий потребуется дополнительный анализ для идентификации возможной нештатной ситуации. Проведение сравнительного контроля ТМИ занимает подавляющую часть времени и является довольно рутинной операцией, не требующей особого интеллекта, но не снижающей ответственности и требующей постоянного внимания. Операторы центра управления манипулируют сотнями параметров в режиме реального времени. Ошибки обходятся очень дорого. В известных способах контроля отображение результатов осуществляется в виде таблиц (формуляров), в которых представлены цифровые значения параметров, соответствующие определенному значению времени.
В процессе управления полетом КА приходится осуществлять оперативный анализ больших объемов ТМИ в реальном масштабе времени. При контроле бортовых систем КА количество контролируемых параметров может составлять несколько тысяч. Так, например, на корабле Союз их число составляет величину порядка 1000, на российском сегменте международной космической станции около 25000 параметров.
Информацию в ЦУП отображают в виде таблиц (формуляров), в которых представлены значения контролируемых ТМ параметров. Пример таких формуляров представлен на фиг. 1. Как правило, анализ информации осуществляют путем сравнения текущих значений параметров с их ожидаемыми (эталонными) значениями. Эталонные значения приводятся в инструкциях операторов для различных бортовых операций. Одной из наиболее сложных с точки зрения оперативного контроля операций является закладка на борт КА больших массивов цифровой информации, значения которых становятся известными незадолго до закладки. Требуется значительное время для поочередного сравнения каждого параметра с эталоном, переключая взгляд с одного формуляра на другой. Кроме затрат времени, этот процесс не исключает ошибок при большом количестве параметров.
На протяжении десятилетий для контроля динамических режимов пилотируемых кораблей «Союз», грузовых кораблей «Прогресс» и российского сегмента международной космической станции используется режим совместного отображения телеметрической информации (ТМИ) о параметрах объекта в виде символов на фоне изображения с внешней телевизионной (ТВ) камеры космического аппарата (КА). Смена событий характеризуется изменением соответствующих сообщений. В определенных знакоместах (зонах) ТВ кадра передаются комбинации символов. Такая форма отображения прошла длительную практическую проверку и хорошо себя зарекомендовала. Комбинированное ТВ изображение поступает на монитор экипажа и передается в центр управления полетами (ЦУП) или на орбитальную станцию. Режим «Дисплей + ТВ» применяется экипажем и персоналом ЦУП в основном в режиме сближения. Этот режим позволяет одновременно наблюдать изображение объекта и контролировать форматы ТМИ. На фиг. 2 представлен пример комбинированного отображения ТМ информации на фоне ТВ изображения в режиме «Дисплей + ТВ».
Для автоматизации процессов обработки ТМИ, поступающей в совмещенном виде с ТВ изображением традиционными методами, необходимо осуществить ряд сложных операций, связанных с селекцией символьной информации на неблагоприятном фоне ТВ изображения, ее распознаванием и попарным сравнением реальных и эталонных значений ТМ параметров. Для разработки, сертификации и внедрения СМО требуются значительные материальные и временные затраты.
В книге В.А. Соловьев, Л.Н. Лысенко, В.Е. Любинский «Управление космическими полетами, МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2009) [4] описаны способы контроля и анализа телеметрической информации, получаемой с борта космического аппарата. В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбран способ, основанный на сравнении реальной информации с эталонами, представленными в виде форматов со значениями контролируемых параметров. В качестве эталонов используются результаты математического моделирования операций или матрицы нормальных состояний КА. Процесс контроля заключается в последовательном сравнении каждого контролируемого параметра с его эталонным значением, представленными в виде кадров с символьной информацией. Сравнение осуществляется либо специалистом – оператором, или автоматически с использованием разработанных алгоритмов анализа.
Недостаток состоит в том, что для его реализации требуется разработка сложного и дорогостоящего спецматобеспечения (СМО) для проведения сравнительной оценки каждого из контролируемых параметров с их эталонными значениями в реальном времени.
Еще более сложная задача возникает при автоматизации контроля ТМИ, передаваемой в совмещенном виде с ТВ информацией.
Технический результат заключается в повышении оперативности и надежности контроля ТМИ, а также снижении сроков и затрат на разработку спецматобеспечения.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля телеметрической информации, основанном на сравнении реальных значений телеметрических параметров с их эталонными значениями, представленными в виде кадров с символьной информацией, в отличие от известного, кадры с эталонными значениями телеметрических параметров накладывают на кадры с реальными значениями телеметрических параметров с заданной частотой, по непрерывному отображению значений параметров судят о соответствии сравниваемых параметров, фиксируют появление мельканий в зонах кадра, по которому судят о несоответствии сравниваемых значений параметров, фиксируют реальные значения параметров, не соответствующих эталонным значениям в тех зонах, в которых наблюдаются мелькания, и по ним определяют причины несоответствий.
Предлагаемый способ позволяет дополнительно осуществлять контроль ТМИ, передаваемой в виде символьных сообщений с реальными значениями телеметрических параметров на фоне телевизионных изображений. При этом отпадает необходимость в предварительном проведении таких сложных операций, как селекция символов на неблагоприятном фоне и их распознавание.
Для символов белого цвета наложение кадров предложено осуществлять с частотой менее 1 Гц. Эта частота выбрана эмпирическим путем с учетом исследований инженерной психологии о надежном привлечении внимания операторов к нештатным ситуациям и допустимых задержках представления информации.
Для цветных символов реальных параметров цвет символов эталонных параметров задают контрастным в соответствии с законом Вебера-Фехнера, в соответствии с которым каждому цвету соответствует вполне определенный наиболее контрастный цвет. Контрастные цвета символов реальных и эталонных значений параметров позволят в большинстве случаев прочитать их на фоне друг друга в случае несоответствий.
Появление результирующего цвета символов в соответствии с законом Ньютона о совмещении цветов после наложения свидетельствует о соответствии значений контролируемых параметров, а наложение кадров осуществляют с максимально возможной частотой кадров или непрерывно.
Суть изобретения поясняется следующими материалами:
на фиг. 1 показан кадр телеметрической информации;
на фиг. 2 показан пример отображения текстовых сообщений на фоне ТВ изображения;
на фиг. 3 показана структурная схема устройства наложения кадров.
Структурная схема устройства реализации предлагаемого способа последовательным методом, представленная на фиг. 3, содержит в своем составе: источник ТВ сигнала 1, селектор синхроимпульсов 2, знакогенератор 3, коммутатор 4, сумматор сигналов 5, видеоконтрольное устройство (ВКУ) 6. Выход блока 1 связан с входом блока 2 и первым входом блока 5, выход блока 2 связан со входом блока 3, выход блока 3 связан со входом блока 4, выход блока 4 связан со вторым входом блока 5, выход блока 5 связан со входом блока 6.
На фиг. 2 отображение символов осуществляется белым цветом. При наложении эталонных символов белого цвета на реальные символы белого цвета, одинаковых по значению, никаких изменений отображаемого сообщения не произойдет (белее белого не станет!). Как было, например, сообщение «ЗАХВАТ» белыми символами, так и останется. То же самое при периодических наложениях.
Однако стоит появиться несоответствию, например вместо эталонного «СЦЕПКА» появилось реальное «ПРОМАХ», на этом знакоместе будут происходить периодические изменения (мигания) сообщений. Реальное сообщение «ПРОМАХ» будет чередоваться со смесью этого сообщения с эталонным «СЦЕПКА». В общем случае прочитать эталонное сообщение на фоне реального в смешанном состоянии оперативно не всегда возможно. Но в этом нет особой необходимости, так как эталонные сообщения хорошо детерминированы и могут, например, отображаться отдельно. Главное, что реальное аномальное сообщение («ПРОМАХ») в чистом виде будет отображаться с заданной частотой. Задав удобную частоту наложения кадров, можно будет не только обратить внимание на факт появления несоответствий, но и надежно прочитать аномальное сообщение. Однако чрезмерно уменьшать частоту наложения кадров не следует, так как это приводит к возможному возрастанию задержки обнаружения факта появления несоответствий. Таким образом, предлагаемое решение позволяет решить задачи контроля ТМИ (выявление факта несоответствия и локализацию аномальных значений параметров) гораздо проще, чем традиционные методы. Эффект возрастает при увеличении количества контролируемых параметров и усложнении фона. Основное преимущество способа заключается в том, что сравнение параметров осуществляется одновременно по всему массиву сравниваемых параметров, а не поочередно путем перебора и сравнения каждого параметра отдельно!
В последнее время на пилотируемых кораблях Союз появилась возможность экипажа изменять цвет символов отображаемых текстовых сообщений. Это позволило избежать таких неприятностей, характерных для черно-белого варианта, как невозможность прочитать сообщение, когда контраст между символом и фоновым изображением близки к нулю. Вместе с тем, это привело к необходимости рассмотреть возможность контроля ТМИ, передаваемой в разных цветах.
Как известно, в основе цветового зрения лежит трехкомпонентная теория цветового восприятия, высказанная русским ученым М.В. Ломоносовым и наиболее полно разработанная Г. Гельмгольцем. Согласно этой теории цвета R, G, B считаются основными, первичными цветами. Они не могут быть получены путем смешения любых цветов, а с помощью них могут быть получены другие цвета.
Для качественного описания цвета великий английский физик И. Ньютон предложил цветовой круг, в котором последовательно располагаются цвета, различаемые человеком.
S
В общем случае, получаемый новый цвет F(λ), где λ - длина волны светового потока (цветового тона для зрительного восприятия) определяется известным выражением:
,
R
G
B
где r, g, b - коэффициенты, учитывающие количество смешиваемых первичных цветов F(λ), F(λ) и F(λ) при этом принимается, что r+g+b=1.
Немецкий математик X. Грассман сформулировал основные законы смешения цветов. В предлагаемом методе контроля при выборе цветов отображаемых сообщений используется закон, гласящий:
«При смешении двух цветов, лежащих на одной спектральной линии (между двумя первичными цветами), образуется цвет, лежащий между ними». Например, при смешении в определенных пропорциях двух первичных цветов - красного и зеленого может быть образован дополнительный цвет зеленовато-желтоватый, желтый или оранжевый. При смешении зеленого | синего цвета может быть получен голубой цвет и т.д.
При формировании ТВ изображений могут использоваться различные методы смешения цветов, а именно:
- одновременный;
- последовательный;
- пространственный;
- бинокулярный.
Так, пространственное смешение цветов используется при построени устройств отображения, когда каждый элемент на ТВ экране представляется виде трех первичных цветов и за счет их малых размеров глаз воспринимает их как единое целое. Метод пространственного смешения цветов был впервые применен художниками, когда, например, они рисовали голубое небо в виде маленьких точек, с помощью двух первичных цветов - синего и зеленого. При удалении от картины и ее наблюдении зрителем воспринималось голубое небо.
Бинокулярный метод смешения цветов предусматривает раздражение сетчатки левого и правого глаза человека разными цветами, в результате чего возникает ощущение нового цвета. Бинокулярный метод смешения цветов используется при построении систем объемного телевидения.
Эффект образования новых цветов может быть получен и при последовательном методе смешения цветов, но для этого необходимо соблюдать условие при котором частота смены изображений первичных цветов на экране удовлетворяла значению критической частоты мелькания изображений (больше 40 Гц).
В данном способе предлагается использование первые два варианта наложения изображений. Если взять три первичных цвета R, G, B и осуществить их одновременную проекцию на белый экран, то в том месте, где осуществляется «соприкосновение» изображений первичных цветов, будут отображаться для зрительном восприятия новые цвета:
- Красный + Зеленый = Желтый.
- Красный + Синий = Пурпурный.
- Зеленый + Синий = Голубой.
- Красный + Зеленый + Синий = Белый.
(см. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Видеоинформационныетехнологии систем связи: Монография-М.: Издательство «Спутник+», 2011. - 296 с.) [6].
Таким образом, если, например, реальные сообщения отображаются красным цветом, а эталонные - зеленым, то в результате наложения цвет сообщений станет желтым в случае соответствия сообщений. Этот цвет будет означать штатное выполнение программы полета. В случае появления несоответствий реальных сообщений с ожидаемыми в соответствующих знакоместах образуются фрагменты сообщений исходных цветов (в данном примере - красного и зеленого цвета). Это станет сигналом оператору о факте появления аномалии.
Реализация предлагаемого решения не требует разработки специальных программ или устройств. Программы для работы с полупрозрачными слоями получили широкое распространение, например фотошоп и др. Эти программы позволяют осуществлять все необходимые действия (изменения масштаба, сдвиги, изменения цвета, степени непрозрачности, фиксации результирующих суммарных (наложенных) форматов (см. Легейда B.B. Photoshop CS2. Настоящий САМОУЧИТЕЛЬ. - К.: ВЕК+, СПб.: КОРОНА принт, 2006) [5].
Таким образом в предлагаемом способе получение нового цвета в результате наложения первичных изображений предлагается либо с максимально возможной, или минимально возможной частотой. В первом случае это соответствует последовательному методу смешения цветов, а во втором - одновременному, так как минимальная частота соответствует непрерывному (одновременному) совмещению изображений.
Устройство наложения кадров работает следующим образом. Полный ТВ сигнал комбинированного реального изображения с источника ТВ сигнала 1 поступает на вход селектора синхроимпульсов 2. Выделенные синхроимпульсы поступают на вход знакогенератора 3, которые используются для синхронизации эталонного ТВ сигнала с реальным ТВ сигналом. Синхронизированный эталонный сигнал поступает на вход коммутатора 4, который с заданной частотой подает его на вход сумматора сигналов 5, на другой вход которого поступает реальный ТВ сигнал. С выхода сумматора 5 реальный ТВ сигнал, совмещенный с эталонным, поступает на вход ВКУ 6.
Реализация перечисленных блоков описана в книгах «Телевизионные методы и устройства отображения информации» под редакцией М.И. Кривошеева. Москва, «Сов. Радио», 1975 г., М.А. Овечкина «Любительские тенлевизионные игры». Москва, «Радио и связь», 1985 г.
И.Н Гуглин. Телевизионные устройства отображения информации. - М.: Радио и связь, 1951.
И.В. Букреев и др. «Микроэлектронные устройства вычислительной техники», М., «Сов. Радио», 1951.
О.Н. Тихомиров, В.К. Любченко. Селекторы импульсов - Сов радио, 1966, с. 123-136.
Промышленное ВКУ типа ВК 50 В 60.
Синхронизация и фазирование в аппаратуре передачи дискретных сообщений: Учебное пособие. Л.Н. Пуртов, В.М. Пушкин.- Л.; изд. ЛЭИС, 1985, с. 50-55.
Литература
1. Автоматическая аппаратура контроля радиоэлектронного оборудования. под ред. Пономарева Н.Н. - М.: Советское радио, 1975, с. 5-10 и 293-318.
2. Патент РФ №2210112 «Унифицированный способ Чернякова / Петрушина для оценки эффективности больших систем», МПК: G06F 17/00, дата приоритета 07.06.2001.
3. Патент РФ №2427875 - Способ контроля и анализа многопараметрических систем, МПК: G06F 17/00, дата приоритета 29.01.2010.
4. В.А. Соловьев, Л.Н. Лысенко, В.Е. Любинский. Управление космическими полетами, МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2009 - прототип.
5. Легейда B.B. Photoshop CS2. Настоящий САМОУЧИТЕЛЬ. - К.: ВЕК+, СПб.: КОРОНА принт, 2006).
6. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Видеоинформационные технологии систем связи: Монография-М.: Издательство «Спутник+», 2011. - 296 с.