Система сбора и передачи телеметрической информации
TELEMETRIC INFORMATION COLLECTION AND TRANSMISSION SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области телеметрии.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения можно выделить систему адаптивного приема, анализа и передачи телеметрической информации, известную из патента на изобретение RU 2313816. Особенностью данного технического решения является то, что задают «n» уровней, распределенных равномерно в рабочем диапазоне датчика по амплитуде, с учетом рабочего диапазона датчика по частоте. Измеренные значения сравнивают с заданными значениями уровней. При совпадении значений измеренного сигнала и соответствующего уровня формируют код-метку, свидетельствующую о достижении параметром этого уровня. Затем передают информацию об изменении параметра по заданным уровням. Одновременно задают контрольные уровни, включающие пороговый уровень, в пределах которого информация не анализируется, предупредительный и предельный уровни. При этом каждый замеренный сигнал после сравнения с заданными «n» уровнями анализируют на соответствие типу процесса и регистрируют медленно меняющиеся процессы последовательно поступающими кодами-метками.
Однако, недостатками известной системы являются, во-первых, необходимость задания для каждого датчикового входа телеметрической системы набора контрольных уровней. Во-вторых, необходимость изменения для каждого нового контролируемого объекта набора контрольных уровней, что, в свою очередь, усложняет эксплуатацию телеметрической системы заказчиком. Кроме того, пороговые уровни устанавливаются расчетным путем, исходя из априорных сведений о датчиках и контролируемом объекте, что при возникновении не учтенной в расчетах нештатной или аварийной ситуации, может привести к потере ценной информации.
В свою очередь, предлагаемое изобретение направлено на дальнейшее повышение эффективности приёма и передачи телеметрической информации, а именно на увеличение потока информации от датчиков с возросшей динамикой при аварийной или нештатной ситуации на борту за счет датчиков с пониженной динамикой, без предварительного задания предупредительных и пороговых уровней.
Техническим результатом заявленного изобретения является  максимальное возможное, исходя из имеющегося резерва информативности радиоканала, отображение проблемной области контролируемого объекта на приемной стороне, а также отсутствие необходимости проведения расчетов для задания контрольных уровней и, связанного с этим, риска потери ценной информации.
Для достижения технического результата предложена система сбора и передачи телеметрической информации, включающая совокупность бортовых локальных коммутаторов, аппаратно-программные средства обработки информации, линию передачи данных. В отличие от аналога, в составе аппаратно-программных средств обработки информации выделены подсистема сбора сообщений и блок формирования транспортного кадра. Подсистема сбора сообщений включает последовательно задействуемые: по меньшей мере, один блок локальных коммутаторов аналоговых датчиков медленно меняющихся параметров, и, по меньшей мере, один блок, обеспечивающий обработку данных в соответствии с математической моделью, основанной на использовании адаптивного разностного алгоритма, формирующего признак готовности выдачи пакета для каждого датчика и алгоритма прореживания. Блок формирования транспортного кадра, производящий обработку данных в соответствии с математической моделью, основанной на использовании алгоритма перераспределения информации и обеспечивающей формирование резерва информативности в кадре. Данные математические модели описаны в виде блок-схем на фиг. 1 – алгоритм перераспределения информации (АПИ); фиг. 2 – адаптивный разностный алгоритм (АРА), дополненный алгоритмом прореживания (АРАсП).
Система сбора и передачи телеметрической информации работает следующим образом.
В заявленной системе, предназначенной для сбора телеметрической информации медленно меняющихся параметров от цифровых (сигнальных), температурных и аналоговых датчиков, информация от которых занимает наибольшую часть общей информативности системы, предлагается задействовать алгоритм АРАсП, с целью уменьшения избыточности информации. За счет уменьшения информативности от датчиков с пониженной динамикой предлагается увеличить информативность от датчиков с возросшей динамикой при аварийной или нештатной ситуации на борту, задействовав алгоритм АПИ.
На фиг. 3 представлена блок-схема предлагаемой телеметрической системы.
Как правило, в составе телеметрической системы выделяют подсистему сбора сообщений (ПСС), блок формирования транспортного кадра (БФК), передающее устройство (ПРД) (см. фиг.3). ПСС строится на базе интерфейсной платы (ИП), осуществляющей связь с БФК различного набора типовых локальных коммутаторов (ЛК) датчиков: локальный коммутатор аналоговых датчиков (ЛКА), локальный коммутатор цифровых датчиков (ЛКЦ), локальный коммутатор температурных датчиков (ЛКТ). В случае распределенной структуры телеметрической системы ЛК объединяются в моноблоки сбора сообщений (МСС), каждый из которых имеет интерфейсную плату. Интерфейсная плата осуществляет сбор информации от всех ЛК в МСС, а также формирование и передачу пакетов с информацией в БФК.
Алгоритм АРА является основой модели снижения избыточности информации от аналоговых датчиков и представляет собой алгоритм, предназначенный для накопления информации от датчиков и формирования из нее пакетов данных. При передаче данных, используется пакет фиксированного размера. Сжатие данных происходит за счет передачи не самих измерений, а разности между соседними отсчётами. При этом, в процессе работы алгоритма определяется наибольшее число бит, которое занимает разность между соседними измерениями в пределах одного пакета (признак Δ). Этот признак Δ является показателем избыточности информации для входов с менее динамичным сигналом. Эффективность снижения избыточности можно увеличить алгоритмом АРАсП, совмещающим АРА с алгоритмом прореживания информации. В результате работы АРАсП увеличивается, пропорционально коэффициенту прореживания, максимальный коэффициент сжатия. Освободившаяся информативность используется для передачи информации от датчиков с большей динамичностью сигнала посредством АПИ.
Так как информация от датчиков поступает непрерывно, то алгоритм АПИ работает в цикле. Число измерений от одного датчика на максимальной частоте за время полного цикла АРАсП, соответствующее последнему шагу, определяет частоту выдачи кадров с пакетами от самых медленных датчиков.
к
к
max
min
сред.
сред.
инф
d
ср
к
d
max
к
d
Исходные данные для АПИ: F – кадровая частота, Т – период выдачи кадров; f – максимальная частота опроса датчиков; f – минимальная частота опроса датчиков, полученная путем прореживания; f – средняя частота опроса датчиков, полученная путем прореживания, t– соответствующий период; Х – размер пакета датчика; Х – число байт в информационной части пакета; Y – разрядность АЦП; N – число аналоговых датчиков; I = F * Х * N – средняя (общая) информативность для всех датчиков; l – число измерений одного датчика на частоте f за время Т. Область кадра, отведенная для данных от ЛКА, занимает N пакетов.
к
сред
инф
max
сред.
сред
m
m
m
Для всех аналоговых датчиков задается средняя информативность, рассчитанная для пакетной передачи данных и достаточная для контроля параметров во время нормального пуска. При этом период выдачи кадров, период опроса датчиков на усредненной частоте, размер информационной части пакета, и число разрядов аналого-цифрового преобразователя должны быть связаны между собой следующим соотношением:Т = t·Х. То есть, за время, равное периоду выдачи кадров, должно накапливаться количество измерений со средней частотой опроса, равное числу измерений, умещающихся в пакет без сжатия. Максимальная частота опроса датчиков должна быть выбрана из расчета: f = f·2, где m = 1, 2, 3, … – ступень прореживания частоты для f. Следовательно, число пакетов без сжатия за время кадра будет равно 2. Соответственно, для выдачи информации по максимуму от одного датчика в массиве датчиков должен быть резерв для (2-1) пакетов.
рез
зап
Для принятия решения о том, информацией от каких датчиков наполнять кадр к моменту выдачи, АПИ требуется дополнительная информация о каждом датчике: признак готовности выдачи АРАсП-пакета (ГВП), достаточно одного бита: ГВП = 0 – пакеты не готовы, ГВП = 1 – пакеты готовы к выдаче (признак ГВП необходим для определения резерва информативности кадра (N), то есть числа датчиков, для которых АРАсП-пакеты не готовы); и общее число готовых пакетов (N) определяемых по совокупности датчиков с признаком ГВП = 1.
рез
зап
d
Принятие решения о размещении АРАсП-пакетов в кадре основывается на результате сравнения N, N и N. При этом возможны четыре варианта:
ГВП
ГВП
d
инф
1) Перераспределение не требуется, в кадре присутствуют все аналоговые датчики: при ГВП=0 от всех датчиков, и при ГВП=1 от всех датчиков. Т.е. ∑=0 и ∑=N – два крайних случая, когда перераспределение не работает. Вместо АРАсП-пакетов в кадр помещаются пакеты от всех датчиков, сформированные по следующему правилу прореживания (далее Правило 1): количество накопленных измерений делится на Хнацело, результатом деления которого является число p, и, соответственно, в пакет помещается каждое p–ое накопленное измерение.
зап
d
2) При N < N в кадр помещаются все АРАсП-пакеты от датчиков, приславших запрос (ГВП = 1), а в оставшееся место в соответствии с назначенным приоритетом помещаются пакеты от датчиков, не приславших запрос (ГВП = 0). Приоритет по умолчанию назначается в соответствии с номером датчика. Пакеты датчиков с ГВП = 0 наполняются по Правилу 1.
зап
d
3) При N = N в кадр помещаются все АРАсП-пакеты от датчиков, приславших запрос, заполняя кадр целиком.
зап
d
ГВП
d
рез
4) При N > N, и ∑ < N определяется резерв информативности N:
рез
d
зап
N = N – N.
Далее резерв информативности кадра заполняется готовыми АРАсП-пакетами от датчиков, приславших запрос ГВП=1 в соответствии с назначенным приоритетом. После исчерпания резерва информативности оставшиеся датчики, заявившие о готовности выдачи пакета, помещаются в кадр по правилу прореживания (по Правилу 1).
Следовательно, обеспечивается формирование адаптивного информационного потока от аналоговых датчиков медленно меняющихся параметров в бортовой радиотелеметрической системе. Телеметрическая система приобретает способность перераспределения информационного ресурса, что существенно поможет в процессе анализа информации на Земле локализовать проблемную точку, контролируемую датчиком с возросшей динамикой изменения контролируемого параметра.
Таким образом, в предлагаемой системе сбора и передачи телеметрической информации дополнительно предлагается проводить обработку информации от ЛКА в ИП по алгоритму АРАсП, то есть формировать для каждого датчика признак ГВП и два варианта пакетов: пакеты, сформированные с помощью алгоритма сжатия данных информации (АРАсП–пакеты) и пакеты, полученные путем прореживания накопленных измерений по Правилу 1.
Далее из сформированных пакетов, БФК формирует транспортный кадр следующим образом. В кадре для каждого типа пакетов (от ЛКА, от ЛКЦ, от ЛКТ) отводится фиксированная область. Информация от всех ЛКА обрабатывается по алгоритму АПИ, в результате чего появляется возможность размещения в кадре дополнительных пакетов от датчиков с возросшей динамикой за счет датчиков с пониженной динамикой.
Для ЛКЦ и ЛКТ обработка информации не производится, каждый цифровой (сигнальный) или температурный датчик находится на своем заранее определенном месте в транспортном кадре.
Сформированный таким образом транспортный кадр ПРД транслирует на землю.