Аппаратура формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата
EQUIPMENT FOR FORMATION AND TRANSMISSION OF TELEMETRIC INFORMATION FOR SMALL-SIZED AIRCRAFT

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в измерительных многоканальных системах преобразования и радиопередачи данных в малогабаритных летательных аппаратах.
В составе измерительных средств, применяемых при отработке и летных испытаниях малогабаритных летательных аппаратов, используются радиотелеметрические комплексы для дистанционного определения и контроля параметров бортовых систем и узлов.
Известна бортовая аппаратура «Орбита-IV МО» из состава радиотелеметрического комплекса «Орбита-ТМ» [Аппаратура ИТС «Орбита IV МО». Руководство по эксплуатации, часть 1, ЯГАИ. 460800.001 РЭ, ФГУП «ОКБ МЭИ», Москва, 2009], включающая функциональные модули, сконструированные как отдельные приборы.
Несмотря на широкие возможности по адаптации определенных наборов приборов указанной аппаратуры под потребительские программы телеизмерений, большие габариты приборов и значительное количество межприборных кабелей делает невозможным применение бортовой аппаратуры «Орбита-IV МО» в малогабаритных летательных аппаратах.
Известна малогабаритная бортовая аппаратура формирования и передачи телеметрической информации беспилотного летательного аппарата (БПЛА), выбранная в качестве прототипа [Патент RU 2676387, от 25.01.2018 г., МПК B64D 47/00, G08C 19/00], содержащая по крайней мере три функциональных группы датчиков, модуль передачи телеметрической информации, интерфейсный модуль, состоящий из модуля обработки сигналов, преобразователей интерфейса, оперативного запоминающего устройства и средства преобразования кадра с введенным алгоритмом дублирования информации с использованием оперативного запоминающего устройства. При этом модуль обработки сигналов включает в себя аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Выход каждого датчика подключен к входам модуля обработки сигналов, выход которого связан с первым входом средства преобразования кадра, остальные входы которого соединены с выходами преобразователей интерфейса, входы которых связаны с составными частями БПЛА. Вход и выход оперативного запоминающего устройства связаны соответственно с выходом и входом средства преобразования кадра, выход которого через блок аппаратного и алгоритмического кодирования связан с входом передатчика модуля передачи телеметрической информации. Первый выход передатчика связан с входом постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), второй выход передатчика подключен к интегрированной антенне.
В общем случае функциональные группы датчиков, аналоговая и цифровая части аппаратуры управления являются составными частями летательного аппарата, сбор контролируемых параметров с которых обеспечивает телеметрическое устройство с последующим формированием и передачей телеметрической информации.
В принятой за прототип аппаратуре может применяться блок аппаратного и алгоритмического кодирования информации (КИ) для защиты радиотелеметрической информации от несанкционированного доступа к данным летного эксперимента при возможной записи радиосигнала с борта летательного аппарата средствами радиоэлектронной борьбы. Блок КИ и модуль передачи телеметрической информации скомпонованы как отдельные блоки бортовой радиотелеметрической аппаратуры, соединяемые посредством кабеля, имеющего на концах соответствующие разъемы.
Перед началом практического применения бортовой аппаратуры формирования и передачи защищенной телеметрической информации в составе летательного аппарата проводятся исследования, направленные на выявление утечек радиоизлучения, содержащего незакодированную информацию. Однако, меры по дополнительному экранированию тракта передачи данных внутри летательного аппарата по ликвидации утечек, успешные для летательного аппарата определенной конструкции, могут оказаться неэффективными для летательного аппарата иной конструкции.
Бортовая аппаратура формирования и передачи телеметрической информации описанного состава применима на летательных аппаратах относительно больших размеров, где установка блока КИ и радиопередатчика, прокладка соответствующих кабелей, подключение разъемов, дополнительное экранирование информационного тракта не вызывают принципиальных затруднений.
Существенным недостатком бортовой аппаратуры формирования и передачи телеметрической информации БПЛА является высокое энергопотребление и большие размеры модуля обработки сигналов, включающего в себя несколько АЦП, ток потребления которых значительно больше аналогичного показателя других элементов электрической схемы, за исключением элементов радиопередатчика. Причем, количество АЦП равно или больше суммарного количества используемых в телеметрической аппаратуре датчиков, очевидно, с целью обеспечения возможности создания дополнительных аналоговых входов.
Кроме того, отсутствует возможность выбора информативности, т.е. перенастраивания цифровой части аппаратуры на разные значения скорости передачи данных.
Основными недостатками бортовой аппаратуры формирования и передачи телеметрической информации, содержащей блок КИ, являются громоздкость и необходимость проведения соответствующих исследований, направленных на выявление утечек радиоизлучения, для каждого типа летательного аппарата перед внедрением на нем данной аппаратуры.
Таким образом, отсутствуют решения по снижению уровня утечек радиоизлучения, содержащего незакодированную информацию, и сокращению объемов исследований на несанкционированное радиоизлучение для малогабаритных летательных аппаратов (например, противотанковых управляемых ракет и снарядов), где габариты блока КИ и передатчика, соединяющих их разъемов и кабелей превышают имеющиеся на борту объемы, свободные от основной аппаратуры летательного аппарата.
Указанный технический результат достигается тем, что в аппаратуре формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата последовательно соединенные блок аппаратно-алгоритмического кодирования информации и передатчик введены в радиотелеметрический каналообразующий прибор, выполненный в виде моноблока, при этом соединение блока аппаратно-алгоритмического кодирования и передатчика осуществляется непосредственно проводниками внутри моноблока, что не требует применения разъемов и гарантирует поступление на вход передатчика только закодированной информации, причем корпус моноблока после монтажа в нем блока аппаратно-алгоритмического кодирования и передатчика закрывается экранирующими крышками и пломбируется для исключения несанкционированного доступа. В модуле обработки сигналов введены последовательно соединенные мультиплексор аналоговых сигналов, усилитель-ограничитель и вместо нескольких АЦП - один; введен программируемый формирователь цифрового потока с контроллером шины управляющих сигналов блоков программируемого формирователя.
Компоновка блока аппаратно-алгоритмического кодирования и передатчика в замкнутом экранированном объеме снимает необходимость полного объема исследований на несанкционированное радиоизлучение при установке бортовой аппаратуры формирования и передачи телеметрической информации на летательных аппаратах различных конструкций.
Указанная совокупность признаков аппаратуры формирования и передачи телеметрической информации позволяет существенно сократить объем исследований на несанкционированное радиоизлучение при процедуре внедрения аппаратуры защиты информации на борту летательного аппарата, снизить энергопотребление, уменьшить габаритные размеры и перенастраивать цифровую часть устройства на разные значения скорости передачи данных.
Аппаратура формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата, содержащая передатчик, антенну, блок аппаратно-алгоритмического кодирования, оперативно запоминающее устройство, средство преобразования кадра, преобразователи интерфейса и модуль обработки сигналов с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), при этом выход модуля обработки сигналов подключен к первому входу средства преобразования кадра, последний вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), вход которого подключен к первому выходу средства преобразования кадра, второй выход которого через блок аппаратно-алгоритмического кодирования связан со входом передатчика, подключенного к антенне, при этом остальные входы средства преобразования кадра соединены с выходами преобразователей интерфейса, входы которых являются входами цифровых данных. Последовательно соединенные блок аппаратно-алгоритмического кодирования информации и передатчик введены в радиотелеметрический каналообразующий прибор, выполненный в виде моноблока, модуль обработки сигналов, преобразователи интерфейса, ОЗУ, средство преобразования кадра объединены в едином корпусе программируемого формирователя цифрового потока со встроенным контроллером шины управляющих сигналов, который подключен к шине ввода данных программирования и связан посредством шины управляющих сигналов с соответствующими управляющими входами модуля обработки сигналов, ОЗУ и средства преобразования кадра, также в аппаратуру введены последовательно соединенные мультиплексор аналоговых сигналов и усилитель-ограничитель, которые вместе с АЦП объединены в единый блок многоканального аналого-цифрового преобразования.
Как и в прототипе, в аппаратуре формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата может применяться интегрированная антенна, совмещенная с корпусом аппаратуры или с корпусом летательного аппарата.
Аппаратура может не содержать функциональные группы датчиков, но, наряду с другими источниками аналоговой информации, обеспечивает их опрос, если датчики есть на борту данного типа летательного аппарата.
В аппаратуре, выбранной в качестве прототипа, для снижения зависимости полученных данных от качества радиоканала одновременно с передачей телеметрической информации обеспечивается ее запись в ПЗУ. Однако извлечение ПЗУ после летных испытаний не всегда реализуемо, особенно в аварийных ситуациях. Кроме того, поиск ПЗУ летательного аппарата и последующее воспроизведение его записи исключают оперативность принятия решений по результатам летного эксперимента. В связи с этим, в условиях жестко ограниченных свободных от основной аппаратуры объемов малогабаритного летательного аппарата в предлагаемом устройстве формирования и передачи телеметрической информации ПЗУ не установлено. Снижение зависимости полученных данных от качества радиоканала при проведении определенного класса летных испытаний обеспечивается применением дополнительных мобильных приемных станций радиотелеметрического комплекса.
Предложенное техническое решение поясняется графическим материалом. На фиг. 1 приведена функциональная схема аппаратуры, на фиг. 2 приведена диаграмма работы аппаратуры, на фиг. 3 - конструкция аппаратуры.
1 - программируемый формирователь цифрового потока;
2 - радиотелеметрический каналообразующий прибор;
3 - модуль обработки сигналов;
4 - блок многоканального аналого-цифрового преобразования;
5 - мультиплексор аналоговых сигналов;
6 - усилитель-ограничитель;
7 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
8 - средство преобразования кадра;
9 - преобразователи интерфейса;
10 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
11 - блок аппаратно-алгоритмического кодирования информации (КИ);
12 - передатчик;
13 - антенна;
14 - контроллер шины управляющих сигналов.
Аппаратура формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата содержит радиотелеметрический каналообразующий прибор 2, включающий последовательно связанные блок аппаратно-алгоритмического кодирования информации 11 с передатчиком 12, и программируемый формирователь цифрового потока 1, состоящий из модуля обработки сигналов 3, преобразователей интерфейса 9, оперативного запоминающего устройства 10, средства преобразования кадра 8 и контроллера шины управляющих сигналов 14, подключенного к шине ввода данных программирования и связанного через шину управляющих сигналов с соответствующими управляющими входами модуля обработки сигналов 3, преобразователей интерфейса 9, ОЗУ 10 и средства преобразования кадра 8. Модуль обработки сигналов 3 включает в себя последовательно соединенные мультиплексор 5 и усилитель-ограничитель 6, подключенный к АЦП 7 в составе блока многоканального аналого-цифрового преобразования 4; выход модуля обработки сигналов 3 связан с первым входом средства преобразования кадра 8, остальные входы которого, кроме последнего, соединены с выходами преобразователей интерфейса 9; вход и выход оперативного запоминающего устройства 10 соединены соответственно с первым выходом и последним входом средства преобразования кадра 8, второй выход которого связан со входом радиотелеметрического каналообразующего прибора 2, выход которого подключен к антенне 13.
Аппаратура формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата работает следующим образом.
Программируемый формирователь цифрового потока 1 является адаптирующим устройством интерфейса радиотелеметрического каналообразующего прибора 2 к интерфейсу аппаратуры летательного аппарата и предназначен для временного уплотнения слов цифровых и оцифрованных аналоговых данных в соответствии с определенным телеметрическим стандартом.
Модуль обработки сигналов 3, преобразователи интерфейса 9, оперативное запоминающее устройства 10 и средство преобразования кадра 8 из состава программируемого формирователя цифрового потока 1 осуществляют преобразование многоканальной аналоговой и цифровой информации в единый цифровой поток, как измерительную составляющую сигнала телеметрического кадра, и формируют собственно сигнал кадра. Телеметрический кадр, например, стандарта бортовой телеметрии с импульсно-кодовой модуляцией «Орбита-IV МО», представляет собой ограниченную соответствующими импульсами сигнала синхронизации последовательность телеметрических измерений (цифровых слов), формируемых в интервале цикла измерения.
В кадре передается текущая информация и дублированная. Глубина задержки повторных данных определяется объемом доступной оперативной памяти ОЗУ 10.
Последовательное периодически повторяющееся подключение входных аналоговых сигналов с составных частей летательного аппарата осуществляется мультиплексором аналоговых сигналов 5, входящим в состав блока многоканального аналого-цифрового преобразования 4 модуля обработки аналоговых сигналов 3, который также может содержать масштабирующие усилители по входам блока многоканального аналого-цифрового преобразования 4. Частота взятия отсчетов аналоговых сигналов равна частоте следования определенных каналов телеметрии. Усилитель-ограничитель 6 обеспечивает входное сопротивление сигналу, поступающему с мультиплексора 5, и осуществляет защиту АЦП 7 от электрической перегрузки по входу. Для исключения дополнительной нелинейности на краях диапазона преобразования ограничитель напряжения настроен на заведомо большее значение, чем максимальное напряжение входного сигнала в рабочем диапазоне его изменения, но не превышающее допустимого значения напряжения на входе АЦП 7. Коэффициент усиления усилителя-ограничителя 6 по напряжению определяет диапазон преобразования АЦП 7, выполняющего многоканальное аналого-цифровое преобразование входных сигналов. Слова АЦП 7 - цифровые эквиваленты входных аналоговых сигналов - упаковываются в последовательный сигнал кадра в средстве преобразования кадра 8. Тем самым осуществляется преобразование многоканальной аналоговой информации в составляющую единого цифрового потока. При этом обеспечивается неизменность следования и периодичности слов в потоке.
Сбор цифровых данных с составных частей летательного аппарата в программируемом формирователе цифрового потока 1 осуществляют преобразователи интерфейса 9, выполняющие побитовую идентификацию входных цифровых сигналов, например, формата RS 485. Их буферизация в оперативной памяти типа FIFO («первое записанное слово считывается первым»), встраивание в единый цифровой поток и упаковка в кадровый сигнал осуществляется в средстве преобразования кадра 8. Оперативная память содержит блоки FIFO для ввода в каждый из них идентифицируемого по адресу и функции каждого из подлежащих регистрации цифровых сигналов. Вывод слов из FIFO осуществляют последовательно с частотой, большей максимальной частоты следования сообщений и выбираемой из ряда рабочих частот каналов телеметрии. Выбор номинала частоты позволяет корректно проводить опрос сигналов цифровых данных с известной частотой изменения.
Работой АЦП, мультиплексором аналоговых сигналов и средствами преобразования цифровых сигналов управляет разветвленная логическая структура контроллера шины управляющих сигналов 14, предварительно запрограммированного на определенное значение информативности, обеспечивающее соответствующую скорость передачи данных в сигнале телеметрического кадра. Например, для радиотелеметрического комплекса «Орбита-ТМ» существует пять градаций информативности.
Единый цифровой поток формируется в программируемом формирователе цифрового потока 1 на первом выходе средства преобразования кадра 8, телеметрический кадр вырабатывается на втором его выходе путем добавления к сигналу цифрового потока импульсов синхронизации.
Конструкция аппаратуры формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата представляет собой корпус цилиндрической формы, внутри которого размещены радиотелеметрический каналообразующий прибор (моноблок) и блок программируемого формирователя цифрового потока. Есть возможность использования аппаратуры без моноблока для передачи по кабелю сигнала телеметрического кадра на мобильную приемную станцию телеметрического комплекса при лабораторных и стендовых проверках аппаратуры летательного аппарата.
Схема программируемого формирователя цифрового потока аппаратуры, кроме аналогового модуля обработки сигналов, спроектирована на программируемой логической интегральной схеме сверхвысокой емкости (ПЛИС), в том числе и логическая структура вновь введенного контроллера шины управляющих сигналов, что не привело к увеличению размеров устройства.
Конструкция программируемого формирователя цифрового потока содержит плату модуля обработки сигналов и плату с ПЛИС, на базе которой синтезированы преобразователи интерфейса с оперативной памятью типа FIFO, оперативное запоминающее устройство, средство преобразования кадра и контроллер шины управляющих сигналов. Здесь же установлен миниатюрный разъем для подсоединения внешнего программирующего устройства на этапе настройки устройства. Платы разработаны и смонтированы по технологии поверхностного монтажа (SMT).
Передающая антенна 13 реализована в виде несимметричного вибратора, образуемого делением корпуса на две части по переменному току в объеме устройства и интегрированного с корпусом летательного аппарата.
Учитывая, что удалось разместить блок защиты информации с передатчиком в едином моноблоке, сократить число элементов электрической схемы и ввести перепрограммирование цифровой части устройства, обеспечено сокращение объема исследований на несанкционированное радиоизлучение при процедуре внедрения блока защиты информации, снижено энергопотребление, уменьшены габаритные размеры и обеспечено перенастраивание на необходимую информативность устройства формирования и передачи телеметрической информации для малогабаритного летательного аппарата.
Источники информации
1. Аппаратура ИТС «Орбита-IV МО». Руководство по эксплуатации, часть 1, ЯГАИ. 460800.001 РЭ, ФГУП «ОКБ МЭИ», Москва, 2009, стр. 5, 24.
2. Патент RU 2676387, от 25.01.2018 г., МПК B64D 47/00, G08C 19/00.