Устройство регистрации и передачи телеметрической информации беспилотного летательного аппарата

Полезная модель относится к радиотехническим устройствам, более конкретно к системам передачи телеметрической информации и к аварийным радиомаякам, и может быть использована в комплексах беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для передачи телеметрической информации во время штатного полета и для поиска БПЛА при возникновении аварийной ситуации.
Известен аварийный радиомаяк [RU, патент №2306576 С1, МПК G01S 1/08, опуб. 20.09.2007], используемый для обнаружения терпящих бедствие различных, например, воздушных судов. Устройство состоит из блока ввода сигнала активизации радиомаяка, блока формирования сигнала аварийной перегрузки, первого блока постоянной памяти, формирователя кода времени, передатчика спутникового канала, формирователя модулирующего сигнала, передатчика приводного канала, дуплексера, приемника навигационных сигналов от системы GPS и/или ГЛОНАСС, блока оперативной памяти, блока автономного питания, селектора питания, пульта дистанционного управления, блока комплексирования навигационных данных и второго блока постоянной памяти.
Недостатками такого аварийного радиомаяка являются относительная сложность реализации устройства, большие массогабаритные показатели, что не позволяет использовать данное устройство для спасения малых БПЛА. Кроме того, в устройстве отсутствует функция мониторинга шин передачи управляющих данных бортовых устройств летательного аппарата (ЛА), что не позволяет своевременно обнаруживать отказы исполнительных устройств ЛА.
Известен также «черный ящик» с сигнализацией [RU, патент №2415781 С1, МПК B64D 1/00, опубл. 10.04.2011], в случае катастрофы самолета устройство выбрасывается с парашютом, излучая при этом электромагнитные волны и звуковые сигналы. Устройство состоит из блока генераторов звука и электромагнитных волн, блока электропитания, рычага-переключателя, камеры сжатого воздуха, резиновой камеры, парашюта, гибкой антенны, ниши, звукоизлучателя, кабеля-троса, разъема.
Недостатком такого устройства является сложность выработки критериев для формирования команды отделения устройства от летательного аппарата. Необратимая последовательность действий для выбрасывания устройства с парашютом начинается по команде от акустического датчика, регистрирующего шум двигателя ЛА. В случаях, когда двигатель ЛА работает вплоть до столкновения с землей, выбрасывание устройства не произойдет. Кроме того, даже при полном отказе двигательных установок, ЛА способен преодолевать значительные расстояния планированием, в то время как отделение устройства уже произошло и регистрация телеметрической информации не ведется.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство для регистрации телеметрической информации беспилотного летательного аппарата [RU, патент №2595064 С1, МПК B64D 47/00, G08C 19/00, опубл. 20.08.2016]. Для регистрации телеметрической информации передают сигналы с функциональных групп датчиков, а также телеметрическую информацию от составных частей БПЛА аппарата в модуль обработки сигналов, где сигналы усиливают, оцифровывают и передают на модуль передачи телеметрической информации, а телеметрическую информацию обрабатывают и записывают на съемный запоминающий модуль для анализа и дальнейшей обработки. Устройство состоит из функциональной группы датчиков, модулей обработки сигналов, усилителей сигналов, модулей преобразования сигналов, интерфейсного модуля, съемного запоминающего модуля, средства преобразования кадра, модуля передачи телеметрической информации, средства передачи телеметрической информации на наземную телеметрическую станцию по радиоканалу. Описанное устройство принято за прототип полезной модели.
Недостатком прототипа является невозможность мониторинга штатных шин управления и контроля бортовым оборудованием ЛА, что не позволяет своевременно обнаруживать отказы устройств на шине, регистрировать командно-телеметрический обмен между системой управления и исполнительными устройствами, а также не позволяет диагностировать неполадки непосредственно основных и резервных шин обмена данными. Кроме того, устройство не имеет системы автономного питания, что не позволяет регистрировать и передавать телеметрическую информацию при отказе системы бортового питания.
Технической задачей является устранение отмеченных недостатков, повышение надежности, эффективности работы устройства регистрации и передачи телеметрической информации.
Для решения поставленной задачи в устройство регистрации и передачи телеметрической информации беспилотного летательного аппарата, содержащее управляющий микроконтроллер, набор датчиков, энергонезависимую память, приемопередающее устройство, дополнительно включены система автономного питания, интерфейс прослушивания шины передачи данных между автоматической бортовой системой управления и исполнительными устройствами, интерфейс управления. Причем в штатном режиме работы по интерфейсу управления передаются командно-телеметрические данные между устройством и автоматической бортовой системой управления, а в аварийном режиме по интерфейсу управления устройство управляет исполнительными механизмами системы спасения беспилотного летательного аппарата.
Устройство регистрации и передачи телеметрической информации БПЛА жестко закрепляется на борту ЛА, не нарушая его массоцентровочных характеристик (МЦХ). Конструкция устройства содержит блок малогабаритных датчиков: векторный магнитометр; инерциальные датчики (ИНС); приемник спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Во время штатной работы бортового оборудования ЛА, информация от блока малогабаритных датчиков и от штатных навигационных систем ЛА записывается в энергонезависимую память и передается на землю при помощи цифрового приемопередатчика. В случае отказа штатных навигационных систем ЛА, автоматическая бортовая система управления (АБСУ) имеет возможность запросить навигационную информацию с блоков малогабаритных датчиков устройства. Заявленное устройство обладает функцией мониторинга штатных шин обмена данными между АБСУ и исполнительными устройствами, что позволяет точно определить причину возникновения аварийной ситуации и однозначно выработать критерии для срабатывания элементов системы спасения. В случае отказа АБСУ устройство имеет возможность управления различными исполнительными механизмами на борту летательного аппарата, что позволяет во время аварийной ситуации, например, выпустить парашют. Данная функция позволяет не утяжелять конструкцию устройства за счет возможности использования штатного оборудования БПЛА. Наличие системы резервного питания позволяет устройству функционировать при повреждении штатных источников электропитания ЛА и бортовых кабельных сетей. В состав устройства входят элементы, отвечающие таким требованиям как работоспособность при воздействии внешних факторов, малые масса и габаритные размеры, что позволяет использовать устройство для спасения малых БПЛА в условиях их эксплуатации.
Благодаря использованию небольшого количества функциональных групп и возможности использования штатных систем устройство просто в реализации и способно выполнить поставленные задачи, имеет повышенную надежность и эффективность работы.
Существенным отличием является то, что полезная модель обладает функцией мониторинга штатных шин обмена командно-телеметрическими данными между АБСУ и исполнительными устройствами. Это позволяет точно определить причину возникновения аварийной ситуации и выработать однозначные критерии для срабатывания элементов системы спасения ЛА.
Вторым существенным отличием является то, что устройство имеет возможность управления различными исполнительными механизмами на борту летательного аппарата в случае отказа штатных систем. Это позволит во время аварийной ситуации, например, выпустить парашют, а также уменьшить массогабаритные характеристики устройства за счет возможности использования штатного оборудования БПЛА.
Третьим существенным отличием является то, что устройство регистрации и передачи телеметрической информации БПЛА имеет систему резервного питания. Это позволяет устройству функционировать при выходе из строя штатных источников электропитания летательного аппарата и при повреждении бортовых кабельных сетей.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства передачи и регистрации телеметрической информации; на фиг. 2 - вид устройства, где введены следующие обозначения:
1 - блок управления, обработки и хранения информации;
2 - шина управления устройством, подключаемая к АБСУ;
3 - кабельный ввод шины прослушивания (мониторинга);
4 - антенна СРНС;
5 - СВЧ линия передачи сигнала антенны СРНС;
6 - СВЧ линия антенны приемопередатчика;
7 - антенна приемопередатчика;
8 - наземное приемопередающее устройство;
9 - направленная антенна наземного приемопередающего устройства.
В блок управления и обработки информации (1) входят микроконтроллер; группа датчиков (магнитометр, ИНС, приемник СРНС); интерфейсы; приемопередатчик и система автономного питания с аккумуляторной батареей. В программном обеспечении (ПО) микроконтроллера реализованы следующие функции: прием телеметрической информации устройством от АБСУ и передача собственной телеметрической информации от устройства к АБСУ по шине управления (2); управление исполнительными устройствами БПЛА по шине управления (2); прослушивание шины (3) обмена командно-телеметрическими данными между АБСУ и исполнительными устройствами; получение информации от группы датчиков; сжатие телеметрической информации; запись телеметрической информации в энергонезависимую память; передача телеметрической информации по цифровому каналу связи на землю. Габаритные размеры корпуса блока управления и обработки информации (1) не превышают 100×80×20 мм. Корпус выполнен из стеклопластика, который обладает малой массой и высокой механической прочностью. Антенна (4) принимает сигналы навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, который поступает по линии передачи (5) на вход приемника СРНС. Цифровой приемопередатчик по линии передачи (6) соединен со штыревой антенной (7). Наземное приемопередающее устройство (8) содержит: направленную антенну (9); энергонезависимую память для хранения принимаемой информации; индикатор основных параметров полета БПЛА; звуковой индикатор уровня мощности принимаемого сигнала; модули связи Bluetooth и Wi-Fi для передачи информации в режиме реального времени к другим устройствам, например, для передачи информации на планшетный компьютер с графическим интерфейсом пользователя.
Устройство работает следующим образом. В штатном режиме работы устройство анализирует данные, передаваемые по шинам командно-телеметрического обмена БПЛА, с помощью интерфейса прослушивания (3). Микроконтроллер сжимает и сохраняет в энергонезависимую память минимально необходимый и определяемый на программном уровне объем командно-телеметрической информации, получаемой по шине прослушивания (3). В штатном режиме работы по шине управления (2) происходит обмен информацией между АБСУ и устройством. Антенна (4) принимает навигационный сигнал ГЛОНАСС/GPS, который по линии передачи (5) поступает на вход приемника СРНС. Приемник СРНС передает навигационное решение микроконтроллеру. При необходимости, АБСУ запрашивает по интерфейсу (2) информацию с группы датчиков устройства (магнитометр, ИНС, СРНС). В аварийном режиме работы микроконтроллер по шине управления (2) управляет исполнительными устройствами БПЛА, например, системой выпуска парашюта. Микроконтроллер передает на приемопередающее устройство заранее определенный набор сжатых данных. Приемопередающее устройство формирует радиосигнал, который по СВЧ линии (6) поступает на штыревую антенну (7) для передачи на наземное приемопередающее устройство (8). Наземное приемопередающее устройство (8) принимает сигнал от бортового устройства с использованием направленной антенны (9). Принятая наземным устройством (8) информация сохраняется в энергонезависимую память, в режиме реального времени передается по интерфейсам Bluetooth и Wi-Fi другим потребителям, а часть информации отображается на встроенном индикаторе. При необходимости на наземном устройстве с помощью кнопочного интерфейса управления может быть активирована функция звуковой индикации уровня мощности принимаемого сигнала, что позволяет определить направление на ЛА. Наземное устройство (8) может быть использовано для передачи информации на бортовое устройство в целях настройки его параметров, например, для определения набора командно-телеметрических данных, сохраняемых в энергонезависимую память и передаваемых на наземное устройство. Дополнительно цифровой приемопередатчик устройства может быть использован как резервный канал двухсторонней связи с БПЛА. Полезная модель позволяет:
- отслеживать обмен данными между АБСУ и исполнительными устройствами;
- сжимать и сохранять в энергонезависимую память командно-телеметрическую информацию, передаваемую по бортовым шинам управления;
- передавать телеметрическую информацию на наземное устройство;
- управлять исполнительными устройствами в аварийных ситуациях;
- определять положение ЛА при аварийной ситуации.