СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
TELEMETERING INFORMATION TRANSMISSION METHOD

Изобретение относится к системам передачи телеметрической информации (ТМИ), искаженной при передаче помехами естественного и искусственного происхождения. Оно ориентировано на внедрение в существующую практику передачи ТМИ новых алгоритмов структурно-алгоритмических преобразований (САП) данных телеизмерений, предназначенных для обеспечения сжатого помехоустойчивого кодирования передаваемых сообщений. При этом в качестве ограничений выступает требование обеспечения адаптации к структурам представления данных, которые используются в существующих бортовых телеметрических системах (БРТС).
b
b
X
N
n
m
=
m
=
1
j
3
j
j
1
3
n
n
Известна группа изобретений, в которых для достижения высоких показателей помехозащищенности данных измерений используют дополнительное экономное помехоустойчивое кодирование. К ней относятся: [1], «Способ передачи информации», патент RU №2609747, приоритет от 13.08.2017 г.; [2] «Способ передачи информации и система для его осуществления», патент RU №2586833, приоритет 15.08.2015 г., сущностные характеристики которых связаны с экономным безызбыточным помехоустойчивым кодированием, и [3], «Способ передачи информации и система для его осуществления», патент RU №2586605, приоритет от 22.03.2013 г.), требующим, в общем случае, один дополнительный разряд для представления результатов дополнительного малоизбыточного помехоустойчивого кодирования данных их образами-остатками  и , получающимися в результате сравнений их исходных значений  , представленных  = 2 - разрядным двоичным позиционным кодом с использованием оптимально выбранных модулей сравнения  2- 1 и . 2+ 1
внутр
внеш
внеш
N
При использовании данных способов возможности дополнительного экономного безызбыточного помехоустойчивого кодирования передаваемой информации обеспечивают на основе формирования внутренней структуры представления данных (S), которая по разрядности () двоичных слов, используемых для передачи информации, совпадает с существующей структурой представления слов-измерений и пакетов данных. Последняя представляет собой внешнюю структуру представления данных (S), которая используется в существующих БРТС в качестве телеметрических кадров, разрядности представления данных телеизмерений и сигналов синхронизации. В самом общем случае, внешняя структура представления данных (S) может включать в себя и другие данные, которые относят к числу служебных данных. К их числу относят: адресную информацию, проверочные символы избыточных помехоустойчивых кодов, защитные символы между словами, используемые для повышении точности системы синхронизации, а также контрольные символы проверки «четности» количества символов «1» ([4], «Современная телеметрия в теории и на практике / Учебный курс», Спб.: Наука и Техника, 2007. - 672с, стр. 465).
Сущностные характеристики предлагаемого способа заключаются в том, чтобы внедрение алгоритмов САП [1-3] не требовало бы выхода за ограничения, определяемые существующими правилами представления данных в БРТС, которые используются в настоящее время. Это позволило бы использовать существующие приёмно-регистрирующие станции (ПРС) и наземный телеметрический комплекс, в целом, без дорогостоящих аппаратурных доработок, а все вносимые новшества и изменения реализовать на счёт программных средств и разработки обновлённого ПМО.
N
N
внеш
внутр
внутр
внеш
При использовании способов [1] и [2] разрядность исходных двоичных слов, определяющих внешнюю структуру представления данных (S), всегда точно совпадает с разрядностью данных (), являющихся результатами дополнительного помехоустойчивого кодирования и образующих внешнюю структуру представления данных (S). При использовании способа [3] недостающий разряд для внутренней структуры (S) формирования данных компенсируют, в основном, за счет дополнительного двоичного символа «Контроль четности бит», присутствующего в исходной внешней структуре данных (S) цифрового группового сигнала (ЦГС).
Дополнительное экономное малоизбыточное помехоустойчивое кодирование [3] рассматривают и как структурно-алгоритмическое преобразование первого этапа (САП-1), имеющее два взаимообусловленных вида: прямое структурно-алгоритмическое преобразование (ПСАП-1), определяющее операцию кодирования информации и обратное структурно-алгоритмическое преобразование (ОСАП-1), представляющее собой операцию декодирования.
При этом дополнительное экономное безызбыточное помехоустойчивое кодирование [1,2] представляют как структурно-алгоритмическое преобразование первого этапа, которое является эквивалентным по отношению к САП-1 и обозначается, как САП-1(Э), ПСАП-1(Э) и ОСАП-1(Э), соответственно. Поэтому в дальнейшем при рассмотрении общих вопросов будет использован основной (первый) ряд обозначений.
ΔT
X
F
X
j
max
j
В отличие от подобных математических аналогов, известных, например, как прямое и обратное преобразования Фурье (ППФ и ОПФ) [4], обратное структурно-алгоритмическое преобразование (ОСАП-1) имеет два вида: универсальное ОСАП-1 (УОСАП-1), отождествляемое с понятием «жесткого» декодирования, и частное ОСАП-1 (ЧОСАП-1), которое определяют как «мягкое» декодирование принятой и обрабатываемой информации. При этом алгоритм «жесткого» декодирования применим всегда, независимо от свойств передаваемой информации, но при этом в соответствии с законами Природы «за универсальность приходится расплачиваться потерями эффективности», что проявляется в практическом отсутствии возможности обнаружения и исправления ошибок передачи данных. Алгоритм ЧОСАП-1 («мягкого» декодирования) позволяет использовать естественную избыточность передаваемых цифровых данных для обнаружения и исправления ошибок передачи информации при ее приеме и обработке. Естественная избыточность цифровых данных является следствием применения теоремы В.А.Котельникова о дискретизации, в соответствии с которой интервалы () между опросами аналогового параметра или сигнала  определяют как обратное отношение к значению удвоенного значения спектральной составляющей наибольшей частоты (2) [4]:
ΔT
= .        (1)
F
Δτ
ΔT
ΔT
F
X
, X
X
N
max
i
j
-1
j
j
+1
Поскольку вероятность появления частотной составляющей  на достаточно малом интервале времени  ≥ 3незначительна по величине, то выбранное значение интервалов  для других спектральных составляющих  спектра параметра или сигнала оказывается малым, что проявляется в корреляционной взаимосвязи соседних значений сообщений или слов-измерений ( и ). В телеметрии эта составляющая внутренней избыточности составляет, в среднем, 90%. При передаче других видов информации, например, речевой, акустической, потокового видео или навигационной она также значительна. Предполагается одновременное использование двух режимов декодирования принимаемых цифровых сигналов УОСАП-1 и ЧОСАП-1. В этом случае детектор ЧОСАП-1 работает под управлением УОСАП-1. Детектор УОСАП-1 на основе принятой последовательности закодированных данных, представленных  - разрядным двоичным кодом, определяет наличие их корреляционной взаимосвязи, и, если устанавливает её наличие для трёх и более следующих подряд сообщений, то подключает для их обработки, осуществляемой с целью обнаружения и исправления ошибок передачи, детектор ЧОСАП-1. Введение цифр, обозначающих этапы (i) распределённых структурно-алгоритмических преобразований (САП-i), также становится обязательным для определения того информационного сечения (i) в существующих трактах формирования и передачи данных, в котором предусмотрено дополнительное кодирование передаваемой информации.
Основной недостаток всех известных классических методов избыточного помехоустойчивого кодирования и обеспечения защиты информации заключается в том, что специфические особенности передаваемой информации не учитываются. Поэтому и их эффективность в условиях чрезвычайно быстрого роста объемов передаваемой информации и скоростей передачи не оправдывает надежд заказчиков и разработчиков систем передачи данных (СПД).
Способ [1] отличается от других аналогов, например, [2] и [3] возможностью наиболее простой технической реализации безызбыточного помехоустойчивого кодирования, благодаря чему он оказывается наиболее предпочтительным при передаче высокоскоростной информации вследствие высоких требований, относящихся к показателю оперативности осуществления структурно-алгоритмических преобразований (САП-i), прежде всего, ПСАП-i, поскольку обратные САП-i (ОСАП-i) могут быть реализованы не в реальном, а в отложенном времени, например, при организации обработки данных, в том числе, и при реализации способов первичной обработки данных ([5], патент RU № 2658795 «Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи», приоритет от 30.05.2017 г. и [6], патент RU № 2672392 «Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации данных измерений», приоритет от 27.06.2017 г.).
N
ΔС
C
- C
|
ΔС
C
- C
|
C
-
j -
Х
С
= |C
- C
|
ΔС
= |C
- C
| -
C
C
,
C
, C
s
N
Х
j
j
(
j
+1
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)+1
j
j
j
М
j
j
+1
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)+1
j
j
+1
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)+1
j
(1(Э))
N
(1(Э))
N
N
(1(Э))
Способ [1], выбранный в качестве прототипа, заключается в том, что на передающей стороне осуществляют сбор сигналов от источников сообщений, преобразуют их в двоичный код, обеспечивают синхронизацию сформированных слов-измерений, представленных  - разрядным двоичным кодом, и формируют из них уплотненный цифровой групповой сигнал, подлежащий передаче по каналам связи, а на приемной стороне принимают полученную последовательность переданных символов двоичного кода. От своих наиболее близких аналогов [2] и [3] данный способ отличается тем, что на передающей стороне кодовые конструкции, сформированные на первом этапе кодирования слов-измерений или сообщений традиционным позиционным двоичным кодом (ПСАП-1(Э)), разделяют на полуслова с равным числом двоичных разрядов или на другие части, имеющие различное число разрядов при их представлении двоичным кодом, которые затем переставляют местами с сохранением прежней разрядности представления слов-измерений или сообщений, но с получением их новых значений, сформированные слова-измерения или сообщения расставляют в уплотненном групповом сигнале в определенной последовательности по отношению к сигналам синхронизации, сформированный таким образом уплотненный групповой сигнал подвергают последующей модуляции и передаче, а на приемной стороне принимают полученную последовательность переданных символов двоичного кода, формируют восстановленную последовательность слов-измерений или сообщений, осуществляют параллельное их декодирование с использованием «жесткого» (УОСАП-1(Э)), и «мягкого» (ЧОСАП-1(Э)) декодеров, при этом в результате операции «мягкого» декодирования определяют графические фрагменты закодированных на основе перестановки составных частей или кодовых сегментов первоначальных значений телеметрируемых параметров, заключенные между соседними максимальными значениями абсолютных разностей = | ≥ 0,8 × 2, и = | ≥ 0,8 × 2), равными или большими значений 0,8 × 2, где результат дополнительного безызбыточного помехоустойчивого кодированиятогопо принятому порядку счета слова-измерения или сообщения;исоседние максимальные значения абсолютных разностей между результатами дополнительного безызбыточного помехоустойчивого кодирования слов-измерений или сообщений , определяющие начало графического фрагмента, и, определяющие окончание графического фрагмента, включающего в себя  выборок закодированных на основе перестановки составных частей значений телеметрируемых параметров, а  - число разрядов, которые используют для представления слов-измерений или сообщений , обеспечивают обнаружение и исправление ошибок передачи значений телеметрируемых параметров на основе «групповых свойств равноостаточности», которые должны быть постоянными при отсутствии ошибок передачи информации в выделенных графических фрагментах телеметрируемого параметра, преобразованного при дополнительном помехоустойчивом кодировании на передающей стороне, а в результате операции «жесткого» декодирования осуществляют восстановление первоначальных результатов телеизмерений без исправления ошибок путем обратной перестановки составных частей, разрядность которых известна на приемной стороне, осуществляют сглаживание или фильтрацию восстановленных в результате «жесткого» декодирования данных и по отношению к вычисленным соседним значениям телеизмерений определяют их разности, которые при выполнении операций «мягкого» декодирования с учетом разрешенных позиций для значений принятого безызбыточного помехоустойчивого кода используют в качестве допусков при выборе наиболее подходящих, кондиционных значений восстанавливаемых данных телеизмерений, определяемых в соответствии с принятым критерием достоверности, производят повторное «жесткое» декодирование данных телеизмерений, скорректированных в результате операций «мягкого» декодирования, сглаженные или отфильтрованные данные, полученные при первой операции «жесткого» декодирования сравнивают с синхронными, совпадающими по времени опроса, значениями, полученными в результате второй операции «жесткого» декодирования, результаты сравнения используют для оценивания достигаемого технического эффекта в виде оценок повышения показателей достоверности приема ой информации, а также для сравнения полученных результатов и корректировки значений сглаживания или фильтрации данных телеизмерений, полученных при первом «жестком» декодировании, определяют их близость к другим разрешенным позициям помехоустойчивого кода, сформированного в результате структурно-алгоритмических преобразований значений телеметрируемого параметра на передающей стороне, в результате чего реализуют расширенные возможности, используемые для контроля достоверности полученных результатов телеизмерений и информационной поддержки принятия решений.
Х
b
,b
j
1
j
3
j
Исходное представление значения сообщения , выраженное с использованием образов-остатков , определяет следующая система уравнений:
X
= m
l
+ b
j
1
1
1
j
X
= m
l
+ b
,
j
3
3
3
j
(1)
m
=
-
m
=
+
-
1
3
n
n
где21и 21 оптимальные модули сравнений;
l
, l
X
m
m
1
3
j
1
3
- неполные частные, получаемые от деления  на делители (модули сравнений и ).
При переходе к системе сравнений, которая является эквивалентной представлению (1):
X
≡ b
(mod m
)
j
1
j
1
X
≡ b
(mod m
)
j
3
j
3
(2)
Х
.
l
l
.
j
1
3
получаем сжатую математическую форму представления значения сообщения Сжатой она является потому, что в системе сравнений (2) отсутствуют значения неполных частных  и
Из представления результата дополнительного кодирования в следующих двух вариантах:
C
b
>
,
b
>
>
,
j
1
j
2
3
j
2
2
(1)
= < < <(3)
C
b
>
,
b
>
>
,
j
3
j
2
1
j
2
2
(1)*
= < < <(4)
l
l
m
m
-
1
3
1
3
также следует, что помимо значений неполных частных ив канал связи не передаются и значения модулей сравнения иони являются частью ключевых данных, которыми стороны обмениваются между собой до начала работы.
X
l
l
.
m
m
b
,b
китайская
теорема об остатках
конструктивная теорема об остатках
b
,b
X
j
1
3
1
3
1
j
3
j
1
j
3
j
j
При сравнении представлений значения с использованием системы уравнений (1) и системы сравнений (2), следует, что в результатах дополнительного кодирования присутствует не явно выраженный эффект синтаксического сжатия данных. Неполные частныеи при соответствующем выборе модулей сравнений и, могут быть восстановлены на приемной стороне на основе принятых образов-остатков  с использованием алгоритмов теорем об остатках, известных как  (КиТО)[10] или  (КтТО), используемая в патенте [3]). Поэтому они не передаются, хотя и представляют собой, помимо образов-остатков , часть информации о значении передаваемого сообщения  (1). В этом заключаются основополагающие теоретические положения сжатия данных и повышения их помехозащищённости при нетрадиционном представлении данных образами-остатками.
X
b
,b
.
j
1
j
3
j
В патенте [1], выбранного в качестве прототипа, используется другой алгоритм дополнительного кодирования, который является эквивалентным основному теоретическому представлению значения сообщений  образами-остатками в плане повышения показателей помехоустойчивости передачи информации, но отличается простотой реализации.
n
X
а
а
j
ст
j
мл
j
Его суть в упрощённом для толкования варианте заключается в том, что в исходном кодовом 2 - разрядном двоичном слове  выделяют старшее () и младшее () полуслова:
X
а
>
,
а
>
>
,
j
ст
j
2
мл
j
2
2
= < < <(5)
С
j
(1(Э))
которые затем переставляют местами с образованием дополнительно закодированного сообщения :
С
а
>
,
а
>
>
,
j
мл
j
2
ст
j
2
2
(1(Э))
= < < <(6)
m
=
.
N
N =
а
а
а
а
.
2
мл
j
ст
j
мл
j
ст
j
внеш
n
При таком представлении появляется необходимость использования модуля сравнения 2 Если число () разрядов, требуемых для представления значений контролируемого параметра, является нечётным, равным, например, 9, то наибольшее предпочтение имеют следующее представление:  пятью разрядами, а  четырьмя разрядами. Возможны и другие варианты разделения исходного кодового слова W на кодовые сегменты и  Полный их набор для случая 10-тиразрядного исходного кодового слова W определяется таблицей 1. Выбор наиболее подходящего варианта из исходной таблицы, например, таблицы 1, определяется необходимостью соблюдения требований, которые являются заданными для данной ТМС. В качестве требований могут быть использованы возможные для ТМС, подвергаемой модернизации, варианты формирования внешних структур представления данных S.
m
m
=
.
2
2
n
n
Также алгоритмы представления (5) и дополнительного кодирования (6) используют на приемной стороне, после декодирования, заключающегося в первичной обработке полученной информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи ([5], Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи, патент RU №2658795, приоритет от 30.05.2017 г.). В этом случае используется операция сравнения получаемых при обработке чисел по модулям сравнения (), определяемым из ряда чисел 2:2
а
>
а
>
мл
j
2
ст
j
2
о
и
min
Следующая особенность, которую необходимо использовать при делении исходного кодового слова на кодовые сегменты < и < заключается в обеспечении требуемого показателя обнаружения (t) и исправления ошибок (t) при приёме информации. Известно из теории помехоустойчивого кодирования ([7], Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. - М.: Мир, 1986. - 576с.), что корректирующая способность определяется значением минимального кодового расстояния d и удовлетворением следующего неравенства:
min
и
d≥ 2 t+1       (7)
min
ст
j
мл
j
а
а
Таблица 1 - Таблица зависимости минимального кодового расстояния d от комбинации перестановки полуслов (и), где младшие кодовые
а
а
а
мл
j
ст
j
мл
j
сегменты различной разрядности от 1 (№1) до вырожденного значения 10 (№10) представлены красным цветом, а старшие кодовые сегменты - зелёным цветом, при этом случай под №10 является вырожденным, так как под отведены все 10разрядов исходного кодового слова
а
>
b
>
X
m
=
.
а
>
b
b
b
С
мл
j
2
2
j
2
j
2
мл
j
2
1
j
2
j
3
j
.
j
n
(1(Э))
Также в соответствии со свойствами двоичного кода младшее полуслово <представляет собой образ-остаток <, получаемый при делении  на модуль сравнения 2Это позволяет использовать младшие полуслова <для дополнительной обработки и контроля достоверности восстанавливаемой информации при её приёме, в том числе, и тогда, когда используется структурно-алгоритмическое преобразование первого этапа (САП-1), в котором основу дополнительного кодирования составляют образы-остатки ,  и Таким образом, дополнительное кодирование сообщения  является эквивалентным САП-1 и обозначается, как САП-1(Э).
Однако при этом в соответствии теорией системного анализа при замене операций САП-1 на операции САП-1(Э), необходимо пожертвовать какими-то другими дополнительными возможностями САП-1, относящимися, например, к контролю достоверности информации.
Поэтому в дальнейшем при изложении сути изобретения будем в качестве исходных использовать эти два вида структурно-алгоритмических преобразований САП-1 и САП-1(Э).
В дальнейшем для пояснения последовательности основных операций предлагаемого способа необходимо выбрать тип существующей БРТС, в которой предлагаемый способ должен быть внедрен. В качестве примера выберем бортовую аппаратуру (БА) «ОРБИТА-IVМО» [4]. В соответствии с руководством по эксплуатации БА «ОРБИТА-IVМО» для передачи, выделения при приёме и регистрации аналоговых, температурных и быстроменяющихся параметров (БМП) используют следующие типы каналов, представленные в таблице 2.
Из таблицы 2 можно сделать вывод о том, что основная проблема передачи данных телеизмерений, в совмещённых телеметрических системах (ТМС) представленных цифровым кодом. Понятие «совмещённые ТМС» появилось в связи необходимостью одновременной цифровой передачи, как медленноменяющихся (ММП), так и быстроменяющихся параметров (БМП) [4].
Таблица 2 - Типы каналов БА «ОРБИТА-IVМО», обозначения каналов и номера разрядов двоичного кода в слове телеизмерений, занимаемых каналом
Характеристика входного контролируемого параметра (канала)
Принятое обозначение
Тип (Т) входного слова
Количество слов в канале
Количество разрядов в канале
Номер канала в слове «Р» и номера разрядов двоичного кода в слове телеизмерений, занимаемых каналами
Аналоговый, непрерывный, в шкале 0-6,2 В(аналоговый)
АНП
Т01
1
9 (8)
01 (со 2-го по 10-й) - 9 разрядов двоичного кода
Аналоговый, непрерывный, в шкале 0-6,2 мВ(температурный)
ТМП
Т01
1
10
01 (со 2-го по 11-й) - 10 разрядов двоичного кода
Аналоговый, широкополосный(быстроменяющийся)
БМП
Т21
1
8
01 (со 2-го по 9-й)
Т22
2
6
01 (со 2-го по 6-й) - первый канал БМП02 (7,8,9,11,12,1 разряды) - второй канал БМП
Т23
3
4
01 (2,3,4,1) - первый канал БМП02 (8,9,11,10) - второй канал БМП03 (5,6,7,12) - третий канал БМП
внеш
Следовательно, без сжатия данных телеизмерений проблема перехода к телеметрическим системам (ТМС) с первичными признаками адаптации к разрешённым структурам представления данных (S) и к изменяющимся условиям телеизмерений, не может быть решена.
n
X
а
а
j
ст
j
мл
j
Наиболее наглядно предлагаемый процесс сжатия данных при предлагаемом помехоустойчивом кодировании может быть продемонстрирован на примере использования алгоритмов САП-1(Э), суть которых определена представлениями аналитическими представлениями (5) и (6). Для этого в 2-разрядном двоичном слове  выделяют старшее () и младшее () полуслова:
X
а
>
,
а
>
>
,
j
ст
j
2
мл
j
2
2
/
= < < <(5)
С
j
(1(Э))
которые для реализации операций обнаружения и исправления ошибок телеизмерений при приёме должны быть переставлены местами с образованием дополнительно закодированного сообщения :
С
а
>
,
а
>
>
,
j
мл
j
2
ст
j
2
2
(1(Э))
/
= < < <(6)
m
=
.
2
n
При таком представлении при восстановлении появляется необходимость использования модуля сравнения 2
а
>
а
>
.
а
>
а
>
f
ΔT
а
>
а
>
а
>
f
а
>
f
мл
j
2
ст
j
2
ст
j
2
мл
j
2
опр
j
j
ст
j
2
мл
j
2
и
мл
j
2
и
мл
внеш
внеш
оп
и
ст
ст
j
2
опУ
Суть последующей операции передачи слов-измерений заключается в том, что в условиях естественной избыточности, которая присуща данным телеизмерений, динамика изменения значений младшего полуслова < существенно выше по сравнению с соответствующим показателем, который наблюдается в старшем полуслове < И в этом заключается один из наиболее эффективных подходов к поиску приемлемых для существующей практики приёмов разрешения сформулированной выше проблемы.Однако в существующей практике телеизмерений, когда передаётся целое слово-телеизмерений, частоты опроса старшего < и младшего полуслова < совпадают и равны выбранной частоте опроса значений контролируемого параметра: = , где  - временной интервал между соседними отсчётами (1). В данном изобретении старшие полуслова < и младшие полуслова < разных слов ТМП объединяют в искусственно образованное слово W прежней разрядности. При этом младшие полуслова < объединяются в одном искусственно образованном слове W, имеющем в соответствии с заданной исходной внешней структурой (S) требуемое 12-тиразрядное представление слов W двоичным кодом. Частота его передачи будет определяться требованиями, предъявляемыми к формированию внешней структуры (S), и равна значению частоты опроса  контролируемого параметра или соответствующего типа группы данных телеизмерений. Второе искусственно образованное слово Wбудет состоять из старших полуслов <. Оно будет передаваться в канал связи с меньшей частотой опроса (), значение которой будет соответствовать реальной динамике его изменения.
и
ст
и
мл
Предлагаемое распределение частот передачи искусственно образованных слов W и W прежней разрядности для БРТС «ОРБИТА-IVМО» приведено в таблице 3.
внеш
В результате такого преобразования размещение сжатых значений ММП в стандартном кадре БРТС «ОРБИТА IV МО» должно быть приведено к одному из вариантов, который соответствует требованиям, предъявляемым к формированию внешней структуры (S).
Таблица 3 - Предлагаемое распределение частот передачи
и
ст
и
мл
искусственно образованных слов W и W прежней разрядности для БРТС «ОРБИТА-IVМО»
№п/п
Частотаопроса (W) исходной группы параметров, Гц
Частота опроса (W<sub>и</sub><sub><i>ст</i></sub>)старших полуслов,Гц
Частота опроса (W<sub>и</sub><sub><i>мл</i></sub>)младших полуслов,Гц
1
4
1
4
2
8
1
8
3
16
2
16
4
32
4
32
5
64
8
64
6
128
16
128
7
256
32
256
8
512
64
512
При этом вся служебная информация остаётся в неизменном виде.
В одном из наиболее простых вариантов реализации сжатия данных вместо одного из разрешенных 12-тиразрядных исходных слов (W), из которых 10 разрядов информационных, предлагается передавать:
а
>
мл
j
2
- два сжатых аналоговых параметра (далее - АНПМ), каждый из которых представлен 5-тиразрядными младшими полусловами (<);
а
>
мл
j
2
- или два сжатых температурных параметра (далее - ТМПМ), каждый из которых также представлен 5-тиразрядными младшими полусловами (<).
При воспроизведении из запоминающего устройства, слова ТМПМ Т11Р02 и АНПМ Т11Р02 теряют свой младший разряд и становятся пятиразрядными, перед обратным преобразованием необходимо дополнять слова шестым (младшим) разрядом со значением «0».
а
а
ст
j
мл
j
В таблице 5 представлена предлагаемая схема перераспределения разрядов, необходимых для передачи старших () и младших () кодовых сегментов исходного кодового слова (W).
а
а
ст
j
мл
j
Таблица 5 - Таблица перераспределения разрядов, необходимых для передачи старших () и младших () кодовых сегментов исходного кодового слова (W)
Характеристика входного сигнала
Обозначение
Тип (Т) входного
Количество
Количество
Номер канала в слове, «Р» (номера разрядов в
(канала)
слова
каналов в слове
разрядов на канале
слове, занимаемых каналом)
Аналоговый, непрерывный, в шкале 0-6,2 В(аналоговый)
АНП
Т01
1
9 (8)
01 (со 2-го по 10-й в существующем варианте, 9-ый разряд - «контроль чётности бит»)
<b></b><b><i>АНПМ</i></b><b></b>
<b></b><b><i>Т11</i></b><b></b>
<b></b><b><i>2</i></b><b></b>
<b></b><b><i>5</i></b><b></b>
<b></b><b><i>01(со 2-го по 6-й)</i></b><b></b><b></b><b><i>02 (с 7-го по 11-й)</i></b><b></b>
Аналоговый, непрерывный, в шкале 0-6,2 мВ(температурный)
ТМП
Т01
1
10
01 (со 2-го по 11-й)
<b></b><b><i>ТМПМ</i></b><b></b>
<b></b><b><i>Т31</i></b><b></b>
<b></b><b><i>2</i></b><b></b>
<b></b><b><i>5</i></b><b></b>
<b></b><b><i>01(со 2-го по 6-й)</i></b><b></b><b></b><b><i>02 (с 7-го по 11-й)</i></b><b></b>
и
мл
и
ст
В таблице 6 представлена передаваемая служебная информация в соответствующих разрядах сформированных слов (W) и (W).
и
мл
и
ст
Таблица 6 - Наличие маркеров служебной информации в соответствующих разрядах сформированных слов (W) и (W)
Разряд
Наличие маркеров служебной информации
1
Вся служебная информация (СЛЖ), кроме маркера (МЧ) присутствует в первом разряде первого слова каждой фразы.
2
отсутствуют
3
отсутствуют
4
отсутствуют
5
отсутствуют
6
отсутствуют
7
отсутствуют
8
отсутствуют
9
отсутствуют
10
отсутствуют
11
В словах, воспроизводимых из запоминающего устройства, при любом типе каналов следуют биты служебной информации воспроизведения, имеющие обозначение «СЛЖВИ»
12
Маркер частоты (МЧ)- присутствует в каждом слове. МЧ равен «1» при четном количестве «1» в слове со 2 по 11 разряд. Не передается в быстроменяющихся параметрах (БМП) и словах, записываемых в запоминающее устройство.
Также учтены в предлагаемом способе и другие специфические особенности передачи сжатых объёмов информации. Они заключаются в следующем:
1) при совпадении периодов опроса старшего и младшего полуслов, в составе кадра передается старшее полуслово;
2) младшее полуслово, следующее сразу вслед за старшим, формируется с ним одновременно.
Сущностные характеристики предлагаемого способа также заключаются в возможности учета других предложений по модернизации существующих БРТС.
Его применение в БРТС «ОРБИТА-IVМО» при неизменной информативности системы позволяет повысить эффективность информационно-телеметрического обеспечения испытаний летательных аппаратов (ЛА), что проявляется в следующих новых возможностях:
- увеличении в два раза количества передаваемых аналоговых и температурных параметров;
- в одновременной передаче в телеметрическом кадре при необходимости, как «сжатых», так и не «сжатых» данных телеизмерений, обеспечивая при этом требуемые показатели адаптивности системы под требования заказчика;
- в обеспечении дополнительной возможности обнаружения и исправления ошибок передачи результатов телеизмерений при приёме, а также при первичной обработке данных [5,6].
Разработанный способ преобразования и помехоустойчивой передачи сжатых данных не имеет принципиальных особенностей, как при представления их образами-остатками, так и при использовании эквивалентных САП (САП-1(Э)). Он применим при ориентации на любую информативность БА «ОРБИТА-IVМО», имеющих обозначения от «М01» до «М16».
Для восстановления информации на приёмной стороне и при использовании способов первичной обработки данных телеизмерений [5,6] используют два алгоритма декодирования значений кодовых слов (W), получившие название «жёсткий» и «мягкий» [1-3,5,6]. При этом «жёсткий» алгоритм декодирования является универсальным. Его использование обеспечивает восстановление переданной информации и при отсутствии свойств корреляционной зависимости переданных соседних значений источника сообщений. Однако при этом не обеспечивается возможность обнаружения и исправления ошибок передачи данных. Алгоритм «мягкого» декодирования является частным и его использование начинается после того, как по результатам предыдущего режима «жёсткого» декодирования будет установлено наличие корреляционной взаимосвязи более трёх следующих подряд значений данных телеизмерений. Для ТМИ, которая характеризуется наличием большой внутренней избыточности, это условие, как правило, выполняется.
min
Также необходимо учитывать следующие особенности применения отмеченных двух режимов восстановления переданных данных. Алгоритм «мягкого» декодирования остаётся неизменным независимо от применяемого способа сжатия данных телеизмерений: на основе САП-1 при представлении данных телеизмерений образами-остатками и использовании эквивалентного САП-1(Э). Различие проявляется только в задании значения минимального кодового расстояния d.
а
а
ст
j
мл
j
А используемые при этом алгоритмы «жёсткого» декодирования данных телеизмерений различны. Наиболее простым он является при использовании режима САП-1(Э). В этом случае для выполнения операции «жёсткого» декодирования данных необходимо переставленные местами на передающей стороне при дополнительном кодировании старший () и младший () кодовые сегменты вернуть на свои первоначальные места в позиционном кодовом слове (W). При использовании для сжатия данных нетрадиционного представления значений кодовых слов (W) образами-остатками при реализации режима «жёсткого» декодирования результатов телеизмерений необходимо воспользоваться адаптивным алгоритмом конструктивной теоремы об остатках (КтТО) [1-3,5,6,8]. Он также представлен в формуле изобретения: «Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами», патент RU №2607639, опубл. 27.07.2016г., бюл. №21 (14) [9].
n
Δ
n
km
±
Δ
m
m
n
n
i
1
2
Адаптивность данного алгоритма определяется условиями делимости типа / и /(), определяющими: 1) выбор требуемого звена в параллельном алгоритме восстановления исходных данных на основе КтТО; 2) возможность упрощения алгоритма восстановления путём соответствующего выбора модулей сравнения и  (при  = 1 алгоритм восстановления ограничен только двумя звеньями КтТО, при  = 2 и при последующем последовательном увеличении абсолютной разности между модулями сравнения количество звеньев формулы увеличивается на единицу).
(8)
m
b
n = |m
- m
|
Δ
b
- b
m
(i = 1,2)
n
Δ
Δ
n
Δ
n
n
km
±
Δ
km
±
Δ
n
i
i
1
2
1
2
i
i
i
где - модули сравнения,  - образы-остатки,  - абсолютная разность между модулями сравнения,  = () - разность между остатками, при которой первым является остаток по меньшему модулю сравнения из , обозначения  и / - читаются, как  не делится на  без остатка и  делится на  без остатка, соответственно. Обозначение /() означает, что () делится на  без остатка.
Приведенное описание позволяет перейти к описанию формулы изобретения.
N
а
а
а
f
а
f
|k
C
C
= <а
, а
>
а
C
а
C
C
ΔС
C
- C
|
ΔС
C
- C
|
C
-
j -
Х
С
= |C
- C
|
ΔС
= |C
- C
| -
C
C
s
N
Х
C
X
Х
,
и
мл
j
мл
j
и
ст
j
ст
j
и
мл
j
и
ст
j
мл
j
оп
ст
j
оп
j
оп
j
оп
мл
j
ст
j
2
мл
j
j
оп
ст
j
j
j
j
j
(
j
+1
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)+1
j
j
j
М
j
j
+1
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)
(
j
+
s
)+1
j
j
+1
j
j
j
j
(1(Э))
N
(1(Э))
N
N
(1(Э))
1. Способ передачи телеметрической информации, заключающийся в том, что на передающей стороне осуществляют сбор сигналов от источников сообщений, преобразуют их в двоичный код, обеспечивают синхронизацию сформированных исходных кодовых слов (W), представленных  - разрядным двоичным кодом, разделяют на полуслова с равным числом двоичных разрядов или на другие части, имеющие различное число разрядов при их представлении двоичным кодом, которые затем переставляют местами с сохранением прежней разрядности представления слов-измерений или сообщений, но с получением их новых значений, и формируют из них уплотненный цифровой групповой сигнал, подлежащий передаче по каналам связи, а на приемной стороне принимают полученную последовательность переданных символов двоичного кода, отличающийся тем, что на передающей стороне кодовые конструкции, сформированные на первом этапе кодирования кодовых слов (W) и содержащихся в них результатов телеизмерений традиционным позиционным двоичным кодом (ПСАП-1(Э)), сформированные таким образом искусственные замещающие кодовые слова (W), составленные только из младших кодовых сегментов () и замещающие кодовые слова (W), составленные только из старших кодовых сегментов () или сообщения расставляют в уплотненном групповом сигнале в той последовательности по отношению к сигналам синхронизации и другой служебной информацией, которая принята в бортовой телеметрической системе (БРТС), подлежащей модернизации, сформированный, таким образом, уплотненный групповой сигнал подвергают последующей модуляции и передаче, а на приемной стороне принимают полученную последовательность переданных символов двоичного кода, формируют восстановленную последовательность замещающих кодовых слов (W) и (W), из которых выделяют значения младших кодовых сегментов () данных телеизмерений, имеющих частоту опроса исходных ММП (), а также старших кодовых сегментов (), передаваемых с пониженной частотой опроса (), соответствующей предполагаемой динамике изменения их значений, при этом в моменты времени соответствующие приёму старшего и следующего за ним младшего кодовых сегментов восстанавливают вначале опорные закодированные слова-телеизмерений (): , а затем к принятым и выделенным младшим кодовым сегментам () данных телеизмерений, заключенных между значениями (), добавляют предшествующие им выделенные старшие кодовые сегменты () с образованием закодированных восстановленных на основе операции, обратной сжатию, данных телеизмерений (), затем осуществляют параллельное их декодирование с использованием «жёсткого» и «мягкого» декодеров, при этом в результате операции «мягкого» декодирования определяют графические фрагменты восстановленных закодированных данных телеизмерений (), которые заключены между соседними максимальными значениями абсолютных разностей = | ≥ 0,8 × 2, и = | ≥ 0,8 × 2), равными или большими значений 0,8 × 2, где результат дополнительного безызбыточного помехоустойчивого кодированиятогопо принятому порядку счёта слова-измерения или сообщения;исоседние максимальные значения абсолютных разностей между восстановленными закодированными результатами телеизмерений , , в результате чегоопределяют начало и окончание графического фрагмента, включающего в себя  выборок закодированных безызбыточным помехоустойчивым кодом, а  - число разрядов, которые используют для первоначального представления результатов телеизмерений , затем обеспечивают обнаружение и исправление ошибок передачи значений телеизмерений на основе «групповых свойств равноостаточности», которые должны быть постоянными при отсутствии ошибок передачи информации в выделенных графических фрагментах, представленных закодированными результатами телеизмерений , осуществляют в результате «жесткого» декодирования данных восстановление первоначальных результатов телеизмерений  с коррекцией ошибок передачи, которое выполняют с учётом разрешенных позиций для значений принятого безызбыточного помехоустойчивого кода после чего переходят к операциям сглаживания или фильтрации восстановленных данных телеизмерений в их исходном представлении в результате чего реализуют новые возможности сжатого помехоустойчивого кодирования передаваемой телеметрической информации.
внутр
1
j
3
j
j
j
1
j
3
j
2
j
ст
j
мл
j
j
ст
j
мл
j
2
j
мл
j
ст
j
2
j
j
j
1
j
1
j
3
j
3
j
2
j
j
j
мл
j
мл
j
ст
j
ст
2
мл
j
2
мл
j
мл
j
2
ст
j
2
ст
j
ст
j
2
j
ст
j
мл
j
2
j
j
-
s
j
-1
j
j
+1
j
+
s
j
-
s
j
-1
j
j
+1
j
+
s
j
-
s
j
-
s
j
-
s
+1
j
-1
j
-1
j
j
j
j
+1
j
+1
j
+1
j
+2
j
+(
s
-1)
j
+(
s
-1)
j
+
s
min
min
j
j
+1
j
j
+1
b
b
C
: С
b
b
X
а
а
X
а
,а
>
C
а
,а
>
С
С
+ε
b
+εb
b
+εb
C
С
+ε
а
+εа
,а
+εа
>
ε»
а
>
=
а
+εа
>
а
>
=
а
+εа
>
X
а
,а
>
εХ
,
Х
, , Х
, Х
, Х
, , Х
,
Х
, , Х
, Х
, Х
, , Х
ΔС
С
- С
|
ΔС
С
- С
|, ΔС
С
- С
|, ΔХ
Х
- Х
|,
, ΔХ
Х
- Х
|
k
k =
С
- С
|
С
С
n
n
(1)
(1)
(1(Э))
(1)*
(1)
(1)
(1(Э))*
(1(Э))
(1(Э))
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при приёме информации производят «жесткое» декодирование поступающих и восстанавливаемых данных, для чего задают начальные условия в виде используемого способа представления внутренней структуры (S) принятых данных, которыми являются, например, структурно-алгоритмические преобразования САП-1, основу которого составляет представление сообщений с использованием образов-остатков (mod 2- 1) и (mod 2+ 1), кодовые конструкции которых объединяют при передаче данных в новое дополнительно закодированное сообщение = <,>, а также САП-1(Э), дополнительное кодирование при котором заключается в разделении исходных кодовых слов сообщения  на старшее () и младшее () полуслова: = <  с последующей перестановкой их местами = < , закодированные таким образом сообщения в результате их передачи по каналам связи с помехами приобретают вид: = = <,>,= = <, где знак « - характеризует ошибку, появившуюся в результате действия помех, реализуют универсальную операцию «жёсткого» декодирования без исправления ошибок передачи на основе алгоритма конструктивной теоремы об остатках, в первом случае, и за счёт обратной перестановки выделенных кодовых сегментов << и << с образованием структуры исходного сообщения: = < , восстановленного с ошибкой полученные при этом результаты анализа корреляционной зависимости соседних восстановленных значений  используют для определения последовательности данных в воспроизводимом потоке информации, обладающих локальными свойствами корреляционной зависимости между соседними значениями сообщений  и при наличии более трех следующих подряд восстановленных сообщений, для которых абсолютные  = |, …,  = | = | = |… = | равны значениям d, где 1, 2, 3…- целые или близкие к ним числа, а d=|- установленное для САП-1 и САП-1(Э) эквивалентное минимальное кодовое расстояние между соседними значениями, например, между  и, используют алгоритм «мягкого» декодирования для обнаружения и исправления ошибок.
min
min
min
j
s
-1
s
-1
s
s
s
s
+1
j
j
min
j
min
j
j
n
n
*
*
*
N
*
*
*
N
*
*
*
*
(и)
(и)
*
(и)
(и)
n
N
N
Х
ΔС
С
- С
|<
ΔС
С
- С
|<
s
s
С
С
ε
ε
С
,
С
Х
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при реализации алгоритма «мягкого» декодирования, отличие которого при использовании САП-1 и его эквивалентного варианта САП-1(Э) заключается только в используемом значении минимального кодового расстояния d: в первом случае d= 2+1, а во втором - d= 2, где  = /2, а  - разрядность представления исходных сообщений .двоичным кодом, находят на основе выполнения условий следующего неравенства:  = |0,8×2 и = |0,8×2, соседние ( -1) и () разрывы для закодированных значений , определяющие собой границы, внутри которых выполняется групповое свойство равноостаточности, которое связано с тем, что любое из значений  , принятое без ошибок, при делении на минимальное кодовое расстояние d даст один и тот же остаток ζ, затем для общего случая, ориентированного на наличие ошибок передачи, строят гистограмму распределения их значений и в качестве инварианта, представляющего собой эталонное значение для выбранного временного интервала передачи информации, проявляющегося в виде группового значения равноостаточности, выбирают в сформированной статистической выборке, состоящей из остатков ζ, содержащих ошибки ζ: ζ = ζ+ ζ, наиболее часто встречающееся значение - моду гистограммы Мо(ζ), при этом все другие значения остатков, не совпадающие со значением найденного инварианта в виде значения моды гистограммы Мо(ζ), являющегося техническим эталоном переданной информации, используют для обнаружения ошибок передачи, которые исправляют путем подстановки вместо них данных , достоверность которых подтверждают тем, что они при делении на минимальное кодовое расстояние d дают значение остатка ζ равное инварианту в виде найденного значения моды гистограммы Мо(ζ), после обнаружения и исправления ошибок при воспроизведении преобразованной информации реализуют второй этап «жесткого» декодирования сообщений , восстановленных и исправленных при воспроизведении, после чего получают восстановленные откорректированные сообщения в их исходном виде , которые используют в качестве обновленной копии информации с уменьшенным числом ошибок.
Х
Х
Х
Х
f
а
а
Х
=<а
, а
>
Х
=<а
, а
>
f
1
2
3
k
оп
мл3
мл1
31мл
мл3
мл1
2
13ст
ст1
ст3
2
оп
внеш
внутр
внеш
внутр
ст
На фиг. 1 представлена модель структуры телеметрического кадра. Предположим, что представленные в кадре телеметрируемые параметры (ТМП) - ,, , …, в соответствии с теоремой В.А.Котельникова о дискретизации процесса, должны опрашиваться c частотой = 128Гц (фиг.1(А)). При реализации предлагаемого способа с такой частотой будут опрашиваться только искусственно сформированные ТМП, состоящие из младших ( и)полуслов двух исходных ТМП, например, третьего и первого: . В то же время другое искусственно сформированное слово телеизмерений: , составленное из их старших полуслов первого и третьего исходных ТМП, будет опрашиваться с пониженной частотой, например, = 16 Гц (фиг.1(В)). Такое различие будет определяться тем, что динамика изменения значений старших полуслов ММП, будет существенно меньше аналогичного показателя для их младших полуслов (в нашем случае в 8 раз). В результате такого перераспределения частот опроса появляется возможность передачи большего количества данных телеизмерений. При этом не требуется внесение конструктивных изменений в структуру формирования данных телеизмерений, называемую (S). Однако при этом появляется внутренняя структура данных телеизмерений (S). Необходимость её появления также продиктована вопросами обеспечения защиты передаваемой ТМИ от несанкционированного доступа (НСД). Все существующие системы защиты информации предполагают только защиту смыслового содержания при открытой и известной (S), что является основным их недостатком. В предлагаемом изобретении внутренняя структура данных телеизмерений (S) формируется при передаче на основе дополнительной ключевой информации, в результате обеспечивается её дополнительная защита от НСД.
N
f
оп
i
Предлагаемый способ отличается наименьшими затратами, которые необходимы для реализации инновационных информационных технологий телеизмерений. Этот эффект связан с возможностью модернизации существующих БРТС, обладающих многими недостатками, без доработки его аппаратурной части и прошитого программного обеспечения. Меняется только структура представления исходных кодовых слов путём замены на искусственно формируемые их эквиваленты, имеющие неизменные разрядность представления () и выделенные значения частот опроса () данных телеизмерений.
Источники литературы
1. Способ передачи информации, патент RU №2609747, приоритет от 13.08.2017 г.
2. Способ передачи информации и система для его осуществления, патент RU №2586833, приоритет 15.08.2015 г.
3. Способ передачи информации и система для его осуществления, патент RU №2586605, приоритет от 22.03.2013 г.
4. Современная телеметрия в теории и на практике / Учебный курс», Спб.: Наука и Техника, 2007. - 672с, стр. 465).
5. Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи, патент RU № 2658795, приоритет от 30.05.2017 г.
6. Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации данных измерений, патент RU № 2672392, приоритет от 27.06.2017 г.).
7. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. - М.: Мир, 1986. - 576с.
8. Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика: В 2т. - т.1: Методы и алгоритмы, классические и нетрадиционные, основанные на использовании конструктивной теоремы об остатках. - М.: МО РФ, 2003. - 284с.
9. Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами, патент RU №2607639, опубл. 27.07.2016 г., бюл. №21.