Современная телеметрия в теории и на практике. Учебный курс - Козырев Г.И., Назаров А.В., Шитов И.В., Обрученков В.П., Древин А.В., Краскин В.Б.

Автор: Козырев Г.И. Назаров А.В. Шитов И.В. Обрученков В.П. Древин А.В. Краскин В.Б.
Теги: физика инженерия машиностроение инженерное дело телеметрия
ISBN: 5-94387-409-7
Год: 2007
Похожие
Развитие отечественной ракетно-космической науки и техники. Том 6. История развития систем управления, радиотехнических систем и наземного автоматизированного космплекса
Актуальные проблемы ракетно-космической техники. Сборник материалов конференции. Том 2
Современные сварочные аппараты своими руками
Развитие отечественной ракетно-космической науки и техники. Том 2. История развития отечественной пилотируемой космонавтики
Текст
                    Если вам нужно получить наиболее полное представление
о теории и практике современной телеметрии,
изучить ее, эта книга ваш лучший выбор!
ф
Назаров А. В., Козырев Г. И.,
Шитов И. В., Обрученков В. П.,
Древин А. В., Краскин В. Б.,
Кудряков С, Г., Петров А. И.,
Соколов С. М.. Якимов В. Л.,
Лоскутов А. И.
t
CD
QQ
R
S
x!ii
SS
aR
giu
ооооо
я
СОВРЕМЕННАЯ
ТЕЛЕМЕТРИЯ
В теории и на практике Учебный курс
#	»  Теория современной телеметрии
#	»- Телеметрия и автоматические системы управления. Телемеханика
#	»  Практика применения телеметрии в различных сферах и отраслях
ПОЛНОЕ
РУКОВОДСТВО
серия - Полное руководство - серия

Наука и Техника
Санкт-Петербург
2007
Для заметок
Назаров А. В., Козырев Г. И., Шитов И. В.,
Обрученков В. П., Древин А. В., Краскин В. Б.,
Кудряков С. Г., Петров А. И., Соколов С. М., Якимов В. Л.,
Лоскутов А.И.
Современная телеметрия
в теории
и на практике
учебный курс
Наука и Техника
Санкт-Петербург
2007
Назаров А. В., Козырев Г. И., Шитов И. В., Обрученное В. П., Древин А. В.,
Краскин В. Б., Кудряков С. Г., Петров А. И., Соколов С. М., Якимов В. Л., Лоскутов А.И.
СОВРЕМЕННАЯ ТЕЛЕМЕТРИЯ В ТЕОРИИ И НА ПРАКТИКЕ. УЧЕБНЫЙ КУРС. -
СПб.: Наука и Техника, 2007. — 672 с., ил. цветные вкладки
ISBN 5-94387-409-7
Рецензент: Кузнецов С. В.
Серия «Полное руководство»
Данная книга представляет собой великолепное руководство по телеметрии,
позволяющее получить наиболее полное представление об этой отрасли науки
и техники. Слово «телеметрия» означает измерение на расстоянии. Содержание
современной телеметрии составляет широкий круг проблем, связанных с
получением, преобразованием, передачей и обработкой измерительной
информации, используемой при управлении удаленными объектами,
определении их состояния или при изучении физических процессов в местах, где
непосредственное присутствие наблюдателя затруднено или невозможно.
Книга состоит из двух частей. В главах первой части дается общая теория
современной телеметрии, начиная с основ и заканчивая последними разработками
и стандартами в данной области. Главы второй части посвящены рассмотрению
практического применения телеметрии в различных отраслях промышленности и
народного хозяйства: в машиностроении, нефтяной и газовой промышленности,
различныхвидахмониторинга(транспортныймониторинг,мониторингокружающей
среды и т.д.) и др.
Авторами книги является группа известных специалистов и ученых, которые,
помимо научных разработок, преподают и осуществляют внедрение средств
телеметрии на различных предприятиях в самых разных областях («Газпром»,
нефтяные компании, предприятия тяжелой металлургии, машиностроительные
предприятия, охранные фирмы, операторы сотовой связи и др.). Книга написана
доступным языком с большим количеством иллюстративного и аналитического
материала. Рассчитана на широкий круг читателей - студентов, инженеров,
специалистов.
Контактные телефоны издательства:
(812) 567 70 25, (812) 567 70 26, (044) 516 38 66
Официальный сайт: www.nit.com.ru
© Назаров А. В., Козырев Г. И., Шитов И. В и др.
© Наука и техника (оригинал-макет), 2007
Содержание
ГЛАВА 1. ЧТО ТАКОЕ ТЕЛЕМЕТРИЯ?..................................21
1.1.	ТЕЛЕМЕТРИЯ И СФЕРЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ...........................22
Общая информация...................................22
Основные понятия телеметрии........................23
1.2.	СОСТАВ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕЛЕ-
МЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ..............................................26
1.2.1.	Состав информационно-телеметрического
комплекса (ИТК).........................................26
1.2.2.	Классификация информационно-телеметрических систем.30
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 1............................................32
ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ ТЕЛЕМЕТРИИ......................................33
2.1.	ТЕЛЕМЕТРИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СПОСОБЫ ИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ.......34
2.1.1.	Классификация телеметрируемых параметров..........35
2.1.2.	Телеметрические сообщения.........................36
2.1.3.	Способы представления телеметрируемых параметров..37
2.2.	ПОГРЕШНОСТИ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ .................................39
2.2.1.	Характеристика и классификация погрешностей
телеизмерений...........................................39
Верность оценки телеметрического сообщения
и точность телеизмерения...........................39
Классификация погрешностей по признакам, отвлеченным
от физической природы и свойственным самым различным
погрешностям.......................................42
2.2.2.	Вычисление суммарной среднеквадратической погрешности по
известным среднеквадратическим погрешностям
составляющих............................................44
2.2.3.	Суммирование систематических погрешностей.........47
2.2.4.	Погрешности квантования функциональных параметров...48
2.2.5.	Погрешности дискретизации функциональных параметров.51
Общая информация...................................51
Погрешность дискретизации при восстановлении
функциональных параметров с помощью фильтров.......53
Погрешность дискретизации при восстановлении параметра с
помощью степенных полиномов........................56
Современная телеметрия в теории и на практике
2.2.6.	Погрешности дискретизации сигнальных параметров....59
2.2.7.	Погрешность отсчета времени при передаче сигнальных
параметров в канале с шумами.............................60
2.2.8.	Оценка шумовой погрешности в канале связи.........62
2.3.	КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ..............65
2.3.1.	Количество информации, получаемой при измерении
функциональных параметров...................................65
2.3.2.	Оценка количества информации о функциональных
параметрах...............................................68
Пример 1............................................68
Пример 2............................................69
Пример 3............................................69
2.3.3.	Оценка количества информации о сигнальных параметрах.69
2.4.	АДАПТИВНЫЕ ПРОЦЕДУРЫ В ТЕЛЕМЕТРИИ...........................73
2.4.1.	Проблемы сжатия...................................73
2.4.2.	Задачи и общая характеристика техники сжатия данных
в телеметрии.............................................74
2.4.3.	Информационное содержание задачи сжатия данных....78
Количество информации в телеметрическом сообщении...78
Объем аналого-дискретных сообщений..................81
Объем сообщений и количество передаваемой информации .... 83
Сжатие объема сообщений...............................84
2.4.4.	Математическое содержание задачи сжатия данных.....85
Постановка задачи...................................85
Параметры алгоритмов сжатия.........................88
Адаптивные алгоритмы сжатия.........................90
2.4.5.	Классификация и основные определения теории и техники
сжатия данных.......... .................................91
Необратимые и квазиобратимые преобразования...........91
Детальная классификация методов сжатия..............93
2.4.6.	Принципы построения адаптивных алгоритмов сжатия
данных...................................................96
2.4.7.	Критерии оценки алгоритмов сжатия данных..........99
Классификации и отличительные особенности алгоритмов
сжатия..............................................99
Коэффициент сжатия данных..........................101
6
Содержание
Эффективность представления сообщений.................102
Коэффициент сложности алгоритма.......................104
Время задержки сообщения в аппаратуре сжатия..........104
Показатель помехоустойчивости.........................104
2.5.	ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ..................................106
2.5.1.	Общие сведения о многоканальных системах телеметрии.106
2.5.2.	Основы линейного разделения сигналов................107
2.5.3.	Нелинейное разделение сигналов......................110
Комбинационный метод разделения.......................110
Метод разделения сигналов по уровню...................111
2.6.	АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.........112
2.6.1.	Показатели качества аналоговых телеметрических
радиолиний.................................................112
2.6.2.	Информационно-телеметрическая система с сигналами
АИМ-ЧМ.....................................................114
2.6.3.	Помехоустойчивость радиолинии ВИМ-АМ................117
2.7.	ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ..........  122
2.7.1.	Показатели качества цифровых телеметрических радиолиний
и предельные соотношения между ними........................122
2.7.2.	Представление символов в виде сигнальных векторов...125
Свойства векторного представления цифровых сигналов...125
Скалярное произведение................................126
Расстояние между концами сигнальных векторов .........126
2.7.3.	Геометрическое представление шума...................129
Вероятность возникновения заданной шумовой реализации... 131
2.7.4.	Алгоритм оптимального когерентного приема...........133
2.7.5.	Вероятность ошибок приема цифровых двоичных сигналов
в оптимальном приемнике....................................135
2.7.6.	Оценка помехоустойчивости двоичных радиолиний.......139
2.7.7.	Цифровые радиолинии с многоосновными кодами.........140
Ортогональные сигналы.................................140
Симплексные сигналы...................................141
Биортогональные коды..................................143
Помехоустойчивость приема многоосновных сигналов......144
7
Современная телеметрия в теории и на практике
. Вероятность ошибки в радиолинии с многоосновными
симплексными сигналами.................................144
Вероятность ошибки в радиолиниях с многоосновными
ортогональными сигналами.............................145
Вероятность ошибки в радиолиниях с биортогональными
символами............................................146
Оценка потенциальной помехоустойчивости многоосновных
радиолиний...........................................146
Оценка частотной эффективности цифровых радиолиний.....148
2.7.8.	Сравнение информационно-телеметрических систем.......149
Общий подход.........................................149
Алгоритм сравнения аналоговых и цифровых радиолиний....149
Сравнительный анализ цифровых и аналоговых радиолиний... 151
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 2................................................156
ГЛАВА 3. СРЕДСТВА ТЕЛЕМЕТРИИ........................................157
3.1.	ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ...................158
3.1.1.	Определения и основные характеристики..............158
3.1.2.	Классификация телеметрических датчиков............ 159
3.1.3.	Активные датчики...................................160
3.1.4.	Пассивные датчики..................................161
3.1.5.	Комбинированные датчики............................163
3.1.6.	Влияющие величины..................................163
3.2.	КАНАЛЫ И ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.............165
3.2.1.	Общие сведения о каналах и линиях передачи
телеметрической информации.................................165
3.2.2.	Проводные линии связи..............................168
Общая информация.....................................168
Симметричные и коаксиальные кабельные линии связи......169
Варианты передачи цифровых данных
(данных телеизмерений)...............................170
3.3.	ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
КАНАЛОВ..........................................................172
3.3.1.	Принцип частотного разделения каналов..............172
3.3.2.	Структурная схема радиотелеметрической системы с ЧРК.173
3.4.	РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ.176
8
Содержание
3.4.1.	Принцип временного разделения каналов...............176
3.4.2.	Структурная схема РТС с временным разделением каналов.180
3.4.3.	Многоступенчатая коммутация каналов...................185
3.4.4.	Назначение и структура системы синхронизации........191
3.4.5.	Выделение сигналов символьной синхронизации.........196
3.4.6.	Формирование и выделение канальных
синхросигналов............................................201
3.4.7.	Маркерные сигналы в аналоговых РТС..................209
3.4.8.	Вероятностная оценка поиска маркерного
синхросигнала при цифровой передаче.......................212
Ситуации, возникающие при поиске маркера.............212
Поиск маркера длиной в одно слово с шагом в один символ
в отсутствие помех...................................213
Поиск маркера длиной в одно слово с шагом в один символ
при помехах в канале передачи........................214
Поиск маркера с шагом в одно слово при пм = п........217
Поиск маркера длиной в два слова: пм = 2п............218
Анализ результатов вероятностной оценки поиска
маркеров.............................................219
3.5.	ШТАТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ...................221
3.5.1.	Бортовая информационно-телеметрическая система БР-92 .... 221
3.5.2.	Бортовая информационно-телеметрическая система БР-93 .... 229
Общие сведения о бортовой радиотелеметрической
системе БР-93........................................229
Основные технические характеристики системы БР-93-1..234
Структура группового телеметрического сигнала........235
3.5.3.	Бортовая информационно-телеметрическая
система БР-91Ц............................................236
3.5.4.	Бортовая информационная телеметрическая
система «Сириус»..........................................244
Назначение и основные характеристики БИТС «Сириус»...244
Принципы организации информационных процессов в БИТС
«Сириус».............................................245
Структурная схема БИТС «Сириус»......................250
3.5.5.	Бортовая информационная телеметрическая
система «Кварц» («Скут»)..................................251
3.5.6.	Бортовая информационная телеметрическая система «Скиф» . 252
9
Современная телеметрия в теории и на практике
3.5.7.	Приемно-регистрирующая аппаратура МА-9МКТМ-4......254
3.5.8.	Приемно-регистрирующая аппаратура ПРА-МК..........260
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 3.............................................268
ГЛАВА 4. ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ...........269
4.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ..............................................270
4.1.1.	Задачи и этапы обработки телеметрической
информации................................................270
Определения.........................................270
Основные задачи обработки телеметрической информации.... 270
4.1.2.	Назначение и задачи первичной обработки
телеметрической информации................................272
Этапы обработки ТМИ.................................273
Последовательность операторов первичной обработки ТМИ... 274
4.1.3.	Назначение и задачи вторичной обработки
телеметрической информации................................275
Место вторичной обработки в системе управления
объектом............................................275
Анализ состояния объекта как решение задач технического
диагностирования....................................276
Локализация неисправностей методами технической
диагностики ........................................279
Исследование поведения объекта как решение задач
идентификации систем................................281
4.2.	ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ..............282
4.2.1.	Методы обработки при согласовании потоков данных
с каналами связи и системой анализа......................282
Согласование потока данных по скорости передачи.....282
Согласование по структуре данных....................283
4.2.2.	Методы обработки при оценке значений параметров по
косвенным измерениям.....................................285
Оценка спектральной плотности программными средствами .. 285
Оценка спектральной плотности в специализированных
аналоговых устройствах..............................286
Методы узкополосной фильтрации......................288
4.2.3.	Оперативная обработка быстро меняющихся
параметров................................................290
Особенности быстро меняющихся параметров и их обработки 290
10
Содержание
Способы оперативной обработки БМП....................292
Определение среднего и средневыпрямленного значений..294
Определение дисперсии и кажущейся частоты............297
4.2.4.	Методы повышения достоверности данных телеконтроля
при обработке информации.................................300
Методы повышения точности измерения физических
процессов...........................................300
Методы учета влияния помех......................... 302
4.2.5.	Дешифровка телеметрической информации.............309
Алгоритмы автоматизированной дешифровки телеизмерения 309
Аппроксимация тарировочных характеристик............312
Привязка результатов обработки телеизмерений ко времени.. 315
4.3.	ВТОРИЧНАЯ ОБРАБОТКА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ...............317
4.3.1.	Исследование поведения объекта и решение задач
идентификации.............................................317
Задача и методы определения характеристик систем....317
Идентификация телеметрируемых объектов..............322
4.3.2.	Контроль функционирования и работоспособности
объекта..................................................334
Схемы контроля......................................334
Контроль по параметру...............................335
Контроль по показателю качества.....................337
Контроль функционирования систем....................341
Контроль работоспособности с помощью алгоритмов
обучения............................................342
Классификация методов распознавания технических
состояний объекта диагностирования..................350
4.3.3.	Поиск места и определение причин неисправностей
объекта..................................................361
Алгоритм обучения распознаванию отказов.............361
Поиск дефектов в электро-радиоэлектронной аппаратуре.369
4.3.4.	Задачи технического генеза........................373
4.3.5.	Прогнозирование технического состояния объектов
диагностирования.........................................381
Задачи прогнозирования..............................381
Методы эвристического прогнозирования...............382
Математические методы временной экстраполяции.......384
Математические методы пространственной экстраполяции.... 392
11
Современная телеметрия в теории и на практике
Методы моделирования процессов функционирования
систем ..............................................393
Логические и структурные методы искусственного интеллекта 394
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 4...............................................400
ГЛАВА 5. СТАНДАРТЫ И ТЕХНОЛОГИИ СОВРЕМЕННОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ.............401
5.1.	КОНЦЕПЦИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.............................402
5.1.1.	Организаторы CCSDS..................................402
5.1.2.	Понятие телеметрической системы.....................406
5.2.	МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ................407
5.2.1.	Методика стандартизации телеметрических систем......407
Общая концепция......................................407
Уровень пакетирования................................410
Уровень сегментации..................................410
Уровень фреймов......................................410
Уровень кодирования канала...........................410
Физический уровень...................................411
Связь телеметрической и командной систем.............411
Механизм управления потоком данных...................412
5.2.2.	Управление потоком данных...........................413
5.3.	СТАНДАРТЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПАКЕТНОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ....................415
5.3.1.	Соглашения CCSDS....................................415
5.3.2.	Пакет источника.....................................416
Основной заголовок пакета источника..................417
Номер версии пакета .................................418
Идентификатор типа...................................418
Флаг вторичного заголовка............................419
Идентификатор прикладного процесса...................419
Поле контроля последовательности пакетов.............419
Флаги группирования..................................419
Счетчик последовательности пакетов ..................420
Поле длины пакета....................................420
Поле данных пакета источника.........................420
Поле данных вторичного заголовка.....................421
Поле данных пакета источника.........................421
12
Содержание
5.3.3.	Сегмент пакета.....................................422
Основной заголовок сегмента..........................422
Номер версии.........................................422
Поле идентификации сегмента..........................423
Поле контроля последовательности сегментов...........423
Флаги сегментации....................................423
Счетчик последовательности сегментов.................424
Остаточная длина пакета..............................424
Поле данных сегмента.................................424
5.3.4.	Другие типы пакетов................................425
Сетевой протокол CCSDS (NP) и интернет-протокол (IPv4).425
Инкапсуляционный пакет (IPv4)........................426
5.3.5.	Фрейм передачи.....................................426
Основной заголовок фрейма передачи...................428
Номер версии фрейма передачи.........................429
Идентификатор фрейма.................................429
Счетчик фреймов главного канала......................430
Счетчик фреймов виртуального канала..................430
Поле состояния поля данных фрейма....................430
Флаг вторичного заголовка фрейма.....................431
Флаг синхронизации...................................431
Флаг порядка пакетов.................................431
Идентификатор длины сегмента.........................432
Указатель заголовка 1-го пакета......................432
Вторичный заголовок фрейма передачи..................432
Поле данных фрейма передачи..........................433
Поле операционного управления........................433
5.4.	ПОМЕХОУСТОЙЧИВАЯ ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ.............434
Сверточное кодирование...............................437
Спецификация базового сверточного кода...............438
Сверточный кодер с выбиванием битов..................439
Спецификация сверточного кода с выбиванием битов.....439
Турбо-коды...........................................440
Спецификация турбо-кода..............................440
Прямые и обратные образующие вектора.................443
Спецификация блока турбо-кода........................444
Синхронизация блока турбо-кода.......................446
13
Современная телеметрия в теории и на практике
Синхронизация фреймов................................446
Синхромаркер вложенного потока данных................447
Псевдорандомизация...................................448
Синхронизация и псевдорандомизация...................449
Спецификация псевдослучайной последовательности......449
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 5..............................................450
ГЛАВА 6. ТЕЛЕМЕТРИЯ В КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ.........................454
6.1.	ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБЪЕКТОВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ.............455
6.2.	ПЕРСПЕКТИВНЫЕ БОРТОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.456
6.2.1.	Бортовая информационно-телеметрическая система
«Орбита-IV»................................................456
6.2.2.	Система телеметрических измерений «ПИРИТ»..........465
6.2.3.	Телеметрическая аппаратура «ОРБИТА-4МТ»............470
6.2.4.	Модификации малогабаритной цифровой телеметрической
системы ТА-932............................................471
6.2.5.	Телеметрическая система БР-9ЦК-1...................474
6.3.	ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СТАНЦИИ ПРИЕМА И РЕГИСТРАЦИИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ.......................................................476
6.3.1.	Малогабаритная приемно-регистрирующая станция	МПРС-5 .. 477
6.3.2.	Приемно-регистрирующая станция НПРС-9..............482
6.3.3.	Комплекс аппаратуры обработки и регистрации цифровой
информации «Литон-3».......................................483
6.3.4.	Малогабаритный переносной телеметрический комплекс.486
6.3.5.	Аппаратура приема, регистрации и информационного
контроля «Опал-М»..........................................487
6.3.6.	Агрегатируемые антенно-приемные средства «МАРС»....489
6.3.7.	Наземная приемно-регистрирующая станция комплекса
«Монитор».................................................490
6.3.8.	Мобильный измерительный	пункт РНИИ КП..............492
6.3.9.	Средства сбора и обработки телеметрической информации
«Родник»..................................................495
6.4.	ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В МЕЖДУНАРОДНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ ПРОЕКТАХ..............................................496
14
Содержание
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 6..............................................507
ГЛАВА 7. ТЕЛЕМЕТРИЯ В СОВРЕМЕННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКЕ.
ТЕЛЕМЕХАНИКА..............................................509
7.1.	ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СОВРЕМЕННОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКЕ.......................................510
Общие положения........................................510
Современные мировые тенденции..........................511
7.2.	СИСТЕМА ТЕЛЕМЕТРИИ КАК ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.....................512
Понятие телемеханики...................................512
SCADA — что это такое?.................................514
7.3.	ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ СИСТЕМАМ ТЕЛЕМЕХАНИКИ.....515
Промышленный объект(ПО) как обобщенный прототип широкого
класса технологических установок и комплексов. Общие
положения..............................................515
Задачи системы телемеханики............................517
Требования к структуре системы телемеханики............517
Требования к элементной базе...........................518
Требования к программному обеспечению..................518
7.4.	ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕХАНИКИ...519
7.4.1.	Задачи системы телемеханики..........................519
7.4.2.	Особенности измеряемых и анализируемых технологических
процессов.................................................520
7.4.3.	Система телеметрии...................................521
7.4.4.	Состав системы телеметрии промышленных объектов....522
7.4.5.	Структура системы телеметрии промышленных объектов.522
7.4.6.	Информационная структура системы телеметрии промышленных
объектов..................................................524
7.4.7.	Выводы...............................................525
7.5.	ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ
СИСТЕМ ТЕЛЕМЕХАНИКИ.................................................526
7.5.1.	Выбор и обоснование элементной базы..................526
Основные требования, предъявляемые к элементной базе.526
Выбор элементной базы..................................527
Основные сведения об устройствах серии ADAM-5000.......528
Технические характеристики устройств серии ADAM-5000.  529
15
Современная телеметрия в теории и на практике
7.5.2.	Выбор и обоснование математического обеспечения...530
Основные требования, предъявляемые к математическому
обеспечению...........................................530
Описание пакета GENESIS32............................ 532
7.6.	ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕТРИИ
ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ..........................................535
ГЛАВА 8. ТЕЛЕМЕТРИЯ В АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.......................539
8.1.	ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕТРИИ В АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ......540
8.2.	СИСТЕМА ТЕЛЕКОНТРОЛЯ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ
МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ........................................  542
Задачи системы телемеханики производства стабильных
изотопов..............................................543
Этапы разработки системы телемеханики для варианта
промышленного объекта в виде комплекса тепломассообменных
высотных колонн (изотопный обогатительный каскад).....544
8.3.	КОМПЛЕКСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АСУТП АЭС «ВУЛКАН» И «ВУЛКАН-М».555
Информационно-вычислительные системы АСУТП АЭС......555
Системы представления параметров безопасности.........556
Системы автоматического регулирования.................556
Системы радиационного контроля........................557
Система радиационного контроля Запорожской АЭС......558
Системы контроля турбогенераторов.....................558
Системы регистрации аварийных параметров..............558
Программно-аппаратная Платформа «ВУЛКАН-М»/«ВУЛКАН».. 559
Основные данные.......................................559
Программное обеспечение...............................560
8.4.	ПРИМЕР ОРГАНИЗАЦИИ КАНАЛА СБОРА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ....561
8.5.	СИСТЕМА РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА АТОМНЫХ ОБЪЕКТОВ.
ПРОЕКТ АМЕС 1.5-1 ...............................................562
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 8............*..................................565
ГЛАВА 9. ТЕЛЕМЕТРИЯ В НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ............566
9.1.	МАЛЫЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.................................568
9.1.1.	Малогабаритная телеметрическая навигационная система с
кабельным каналом связи МТНСК-1..........................568
9.1.2.	Телеметрическая система ТМ-ПЭНП.....................569
16
Содержание
9.1.3.	Малогабаритная гироскопическая телесистема........571
9.1.4.	Система автоматического регулирования уровня жидких
сред......................................................576
9.1.5.	Комплекс погружной телеметрии.....................577
Основные особенности и преимущества:................577
9.1.6.	Система быстрой скважинной телеметрии.............579
9.1.7.	Телеметрические системы в процессе бурения........582
9.1.8.	Сейсморазведка в скважинах глубокого бурения......590
9.2.	БОЛЬШИЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ НЕФТЕГАЗОВОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ...................................................592
9.2.1.	Автоматизированная система управления технологическими
процессами установки каталитического крекинга.............592
9.2.2.	Система автоматизации для узла сепарации нефти....595
9.2.3.	Коммерческие проекты нефтегазовой промышленности с
использованием средств телеметрии..........................596
9.2.4.	Использование телеметрических средств космических систем
в интересах нефтегазодобывающей отрасли...................599
9.2.5.	Система сбора телеметрической информации в
автоматизированных информационно-управляющих системах 607
Структурная схема автоматического сбора информации...608
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 9..............................................612
ГЛАВА 10. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕЛЕМЕТРИИ В ТРАНСПОРТНОМ МОНИТОРИНГЕ........613
10.1.	СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА МОБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ...................  614
10.1.1.	Система сбора информации.........................616
10.1.2.	Система позиционирования.........................617
10.1.3.	Система связи (каналы обмена данными с мобильными
объектами)................................................618
Системы на базе геостационарных спутников...........618
Системы на базе низкоорбитальных спутников..........619
Системы на базе транкинговой связи..................620
Системы на базе КВ-связи............................621
Системы на базе сотовой связи (GSM).................621
10.1.4.	Система обработки, хранения и анализа поступающей
телеметрической информации (диспетчерский пункт)..........624
10.2.	ПРИМЕРЫ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА МОБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ..............626
17
Современная телеметрия в теории и на практике
10.2.1.	Диспетчерская система DAXON-DS....................626
Программно-аппаратный комплекс диспетчерской
системы DAXON-DS:....................................627
Типовая диспетчерская система радиосвязи DAXON-DS........629
10.2.2.	Мониторинг подвижных объектов на базе радиосвязи
и GPS-модемов KGP - 2A/KGP-2B.............................630
10.2.3.	Система TrackMaster...............................631
Диспетчерская система TrackCenter....................632
Техническое построение системы.......................633
10.2.4.	Система мониторинга автотранспорта G4echo.........637
10.2.5.	Интернет-система диспетчеризации WebLocator.......640
Схема функционирования...............................640
Оборудование.........................................640
10.2.6.	Информационно-навигационная диспетчерская система
ИНС-КОНТРОЛЬ...............................................641
Назначение...........................................641
Функции............................................  641
Принцип действия.....................................642
Программное обеспечение системы ИНС-Контроль.........642
Основные функции.....................................643
10.2.7.	Диспетчерская система GPS-контроля грузоперевозок
НАУЦИЛУС..................................................643
10.2.8.	Спутниковый комплекс «Эшелон».....................646
Функциональные возможности спутникового охранного
комплекса «Эшелон».................................  647
Принцип работы спутникового охранного комплекса
«Эшелон» ............................................650
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 10...........................................  652
ГЛАВА 11. МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.............................653
11.1.	ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ БАЗ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА................654
11.2.	ВЕРТИКАЛЬНАЯ ГРАДИЕНТНАЯ СИСТЕМА СБОРА ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.657
11.3.	АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СЕЙСМИЧНОСТИ............660
11.4.	СИСТЕМА СБОРА, ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА БАЗЕ
ПЛАТФОРМЫ MOSCAD..............................................    663
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 11 ................................................667
18
Для заметок
Часть I
Основы телеметрии
Глава 1.
Что такое телеметрия?
1.1. ТЕЛЕМЕТРИЯ И СФЕРЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Общая информация
В буквальном смысле «телеметрия» означает измерение на расстоянии.
Содержание современной телеметрии составляет широкий круг проблем,
связанных с получением, преобразованием, передачей и обработкой измери-
тельной информации, используемой при управлении удаленными объектами,
определении их состояния или при изучении физических процессов в местах,
где непосредственное присутствие наблюдателя затруднено или невозможно.
В соответствии с ГОСТом [3], «телеметрия - это область науки и техники,
занимающаяся вопросами разработки и эксплуатации комплекса автомати-
зированных средств, обеспечивающих получение, преобразование, передачу
по каналу связи, прием, обработку и регистрацию измерительной информа-
ции и информации о событиях с целью контроля на расстоянии состояния
и функционирования технических и биологических систем различных объек-
тов и изучения явлений природы».
Средства телеметрии являются мощным инструментом познания мира.
Контроль самых разнообразных явлений, процессов и объектов, определе-
ние условий их функционирования, испытания новых образцов техники и
вооружения стали возможны на основе использования средств телеметрии.
Особенно возрастает роль телеметрии в связи с реализацией намеченных
правительством Российской Федерации широких планов и программ ав-
томатизации производства, внедрением автоматизированных методов и
средств контроля качества продукции, исследованием природных ресурсов
22
ГЛАВА 1. Что ТАКОЕ ТЕЛЕМЕТРИЯ?
Земли с использованием различного рода летательных аппаратов, судов,
наземных и надводных автоматических станций наблюдения. Необхо-
димость решения поставленных задач привела к массовому применению
средств телеметрии в современной технике. По характеру решаемых задач
средства телеметрии стали глобальными: они используются при измерении
температуры океанов и морей, исследовании сейсмической активности раз-
личных районов Земли, изучении воздушного и космического пространств,
в т. ч. за пределами Солнечной системы и т. д.
Ведущую роль играет телеметрия в процессе испытаний военной техники
и вооружения, а также при управлении автоматизированными техническими
системами в процессе решения целевых задач. Сложность технических объ-
ектов приводит к необходимости контроля большого числа параметров, ха-
рактеризующих состояние и режимы работы отдельных агрегатов и объектов
в целом. Вместе с этим в процессе совершенствования техники к средствам
телеизмерений предъявляются все более возрастающие требования в отно-
шении точности, надежности данных и оперативности их получения. Имен-
но эти вопросы и находятся в центре проблем современной телеметрии.
Основные понятия телеметрии
Характерной чертой современных средств телеметрии, используемых при
испытании и целевом применении объектов телеконтроля, является высо-
кий уровень автоматизации всех процессов получения, передачи и обработ-
ки измерительной информации. Устройства автоматического преобразова-
ния, кодирования и обработки телеметрической информации, построенные
с широким применением микропроцессоров, специализированных и уни-
версальных цифровых вычислительных машин, гарантируют высокую точ-
ность и оперативность получения данных телеизмерений при числе пара-
метров, измеряемых на одном объекте, доходящем до нескольких тысяч.
В настоящее время телеметрическая аппаратура широко используется в ме-
теорологии и геофизике, в газовой, атомной и химической промышленнос-
ти, в медицине и других отраслях народного хозяйства.
При испытании объектов вооружения информация о состоянии контроли-
руемых систем и агрегатов объектов, а также о работе установленной на них
аппаратуры получается различными способами. Часть информации достав-
ляется экипажем. Однако значительно больший объем данных может быть
получен с помощью бортовых (автономных) регистраторов. Последние
позволяют объективно контролировать значительное число физических
величин с большой точностью.
23
Современная телеметрия в теории и на практике
Однако при испытаниях ряда объектов, например беспилотных самолетов,
информация доставляется получателю только по окончании эксперимента.
Она может быть утеряна в случае аварии или катастрофы. Кроме того, ока-
зывается невозможным текущий контроль состояния объекта и его систем
на расстоянии. Вследствие указанных причин информационно-телеметри-
ческие системы (ИТС) стали основным средством получения измеритель-
ной информации с самолетов и других объектов. Они позволяют проводить
летно-конструкторские испытания летательных аппаратов, а также полу-
чать важную научную информацию.
Телеметрическая информация, поступающая с объектов телеконтроля,
может быть разделена на группы:
1)	информация о состоянии систем и агрегатов контролируемого объек-
та, а также о работе различной аппаратуры;
2)	информация о параметрах окружающего пространства;
3)	информация о медико-биологических параметрах человека и жи-
вотных.
В состав указанных групп входят весьма разнообразные физические вели-
чины или телеметрируемые параметры (ТМП). В зависимости от целей ис-
пытания объекта их измерение обеспечивает:
•	получение информации о соответствии характеристик объекта теле-
контроля тактико-техническим требованиям;
•	получение достаточно подробных сведений о функционировании аг-
регатов и аппаратуры объекта, а также о параметрах окружающей
среды;
•	выявление неисправностей и их устранение перед применением
объекта.
В большинстве случаев для решения этих задач необходимо иметь вре-
менные функции (зависимости) контролируемых параметров, представ-
ленные в виде графиков и таблиц. По одной оси указанных графиков
откладываются абсолютные или относительные значения измеряемых
физических величин, а по второй — время, нуль которого обычно соот-
ветствует моменту начала испытаний объекта. Очень важное значение
имеет информация о моментах прохождения команд и возникновении
различных событий.
Вместе с тем в ряде случаев оказывается достаточным знание экстремаль-
ных значений параметров, их средних величин и дисперсий, а также сведе-
ний о нахождении контролируемых процессов в пределах заданных границ.
24
Глава 1. Что такое телеметрия?
Некоторые параметры исчерпывающим образом характеризуются спект-
ральным составом, то есть распределением амплитуд отдельных компонен-
тов контролируемого процесса. К таким параметрам относятся вибрацион-
ные, акустические и другие величины.
В зависимости от характера изменения во времени ТМП разделяются
на функциональные и сигнальные. Характерная особенность функцио-
нальных параметров состоит в том, что они являются непрерывными фун-
кциями времени. Типичными функциональными параметрами являются:
температура в приборном отсеке, давление в баке горючего, углы отклоне-
ния рулей и др. Для сигнальных параметров характерно скачкообразное из-
менение во времени, например, связанное с переходом из одного дискретно-
го состояния в другое. К ним относятся сигналы: «включено - выключено»,
«да - нет» и т. п.
В зависимости от скорости изменения во времени ТМП функционального
типа разделяются на медленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Пер-
вые характеризуются спектром частот от нуля до 20-50 Гц, вторые — до
2..3 кГц и более. Медленно меняющиеся параметры наиболее многочислен-
ны. К ним относятся температуры, давления, скорости потоков жидкостей и
газов, линейные и угловые перемещения, скорости и ускорения и др. Быст-
роменяющиеся параметры составляют значительно меньшую группу, в ко-
торую входят вибрации и акустические шумы, быстрые колебания в систе-
ме управления и в пневмогидросистеме и т. д.
Исходя из решаемых задач можно сформулировать ряд общих требова-
ний, предъявляемых к телеметрическим системам. К их числу следует
отнести:
1)	возможность одновременной передачи большого числа разнообразных
параметров (от нескольких десятков до нескольких сотен);
2)	обеспечение заданной точности, которая оценивается для систем сред-
ней, высокой и очень высокой точности среднеквадратическими пог-
решностями 3-^5 %, 1-J-2 % и 0,1-5-0,5 % соответственно;
3)	возможность оперативного изменения состава измеряемых параметров
с учетом их важнейших особенностей (скорости изменения во времени,
скорости передачи и др.);
4)	высокую степень автоматизации процессов сбора, передачи и обработ-
ки данных;
5)	обеспечение высокой надежности телеметрической аппаратуры и ряда
других эксплуатационных требований (малый вес, объем, стоимость в
расчете на одно измерение или одну двоичную единицу информации).
25
Современная телеметрия в теории и на практике
Очевидно, конкретные требования, предъявляемые к той или иной ИТС,
а также особенности ее построения существенно зависят от назначения и ус-
ловий применения данной системы. Например, если ИТС входят в состав
системы телеуправления в качестве информационного звена, то решающую
роль играют быстрота и достоверность получения данных телеизмерений.
В другом случае при передаче информации на очень большие расстояния
важнейшее значение приобретает энергетическая эффективность радио-
линии, определяемая затратами энергии на одну двоичную единицу ин-
формации. Для ИТС, предназначенных к отработке и летно-конструкторс-
ким испытаниям летательных аппаратов, определяющими являются такие
показатели, как скорость передачи данных и информационная гибкость
системы.
Вместе с тем,' несмотря на значительные различия существующих ИТС
и информационно-телеметрических комплексов (ИТК), представляется
возможным уяснить их структуру и принцип действия на основе обобщен-
ной структурной схемы ИТК, которая рассматривается ниже.
1.2. СОСТАВ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.2.1. Состав информационно-телеметрического
КОМПЛЕКСА (ИТК)
Отличительная особенность современных информационно-телеметри-
ческих систем и комплексов состоит в том, что они обеспечивают од-
новременную передачу большого числа измеряемых величин на одной
несущей частоте (по одному каналу связи). Такие системы передачи ин-
формации называются многоканальными. Количество каналов телемет-
рической системы определяется числом независимых информацион-
ных входов.
Обобщенная структурная схема информационно-телеметрического
комплекса (ИТК) представлена на рис. 1.1. Из рисунка видно, что ИТК
состоит из совокупности датчиков Др ..., Дк, информационно-телемет-
рической системы, включающей в себя бортовую и приемно-регистри-
рующую аппаратуру и аппаратуру обработки телеметрической инфор-
мации [7].
26
Глава 1. Что такое телеметрия?
Бортовая аппаратура
Приемно-регистрирующая
аппаратура
Аппаратура
обработки
информации
Рис. 1.1. Структурная схема информационно-телеметрического комплекса
Телеметрируемые параметры X,(t),kN(t) с помощью измерительных пре-
образователей (датчиков) Д преобразуются в первичные электрические сиг-
налы. Между датчиками и входами ИТС в ряде случаев включаются согласу-
ющие устройства. Они обеспечивают нормализацию сигналов и согласование
выходных сопротивлений датчиков с входными сопротивлениями каналов.
Нормализацйя означает преобразование различных электрических сигналов
в напряжение постоянного тока, пределы изменения которого обычно со-
ставляют 0-6,2. В. Вместе с тем существуют системы, где информационные
каналы рассчитаны на малый входной сигнал порядка десятков и сотен мил-
ливольт. Переход к сигналам низкого уровня позволяет существенно снизить
вес, а иногда и уменьшить потребляемую мощность бортовой аппаратуры.
27
Современная телеметрия в теории и на практике
Первичные сигналы от датчиков затем объединяются в групповой теле-
метрический сигнал (ГТС) на основе принципов частотного, временного
или кодового разделения канальных сигналов. При частотном разделении
каналов (ЧРК) каждому сообщению отводится своя, не перекрывающаяся
с другими каналами, полоса частот. При временном разделении каналов
(ВРК) сообщения передаются поочередно. Каждому сообщению периоди-
чески предоставляется некоторый временной интервал, в пределах которо-
го осуществляется передача одного значения измеряемой величины. При
кодовом разделении каналов (КРК) каждое из сообщений наделяется оп-
ределенным кодовым признаком. Очевидно, при любом из указанных спо-
собов формирования ГТС должно обеспечиваться минимальное взаимное
влияние каналов.
Многоканальные системы передачи информации являются системами
с многоступенчатой модуляцией. На первой ступени каждый из первич-
ных сигналов модулирует свое поднесущее колебание (гармоническое - при
ЧРК, импульсное - при ВРК, кодовое - при КРК). На второй ступени осу-
ществляется модуляция групповым сигналом одного из параметров высоко-
частотного несущего колебания. Модулированный радиосигнал далее излу-
чается антенной в пространство.
Вместе с информационными сообщениями в групповом сигнале передается
также служебная информация: сигналы синхронизации, «командное слово»,
или сведения, необходимые для декодирования ГТС при приеме, сигналы
бортового времени, калибровочные уровни и другие вспомогательные данные.
ГТС с помощью маркерных сигналов разделяется на кадры (псевдокадры).
Существенно отметить, что в отличие от систем передачи речевой ин-
формации и телевизионных изображений, где потребителя, как правило,
не интересуют абсолютные величины звукового давления на мембрану
и освещенности объекта, в телеметрии имеют важное значение абсолют-
ные величины измеряемых физических параметров с привязкой ко време-
ни. Это приводит к необходимости передачи специальных калибровочных
уровней, например, соответствующих 0; 50 и 100% максимального значения
величины параметра, а также сигналов бортового времени. С помощью этих
данных при обработке информации осуществляется масштабирование те-
леметрических сигналов по уровню и времени.
В состав бортовой аппаратуры, кроме того, входят: бортовой эталон времени,
запоминающее устройство, обеспечивающее накопление информации между
сеансами съема телеметрической информации, хронизатор, устройство ка-
либровки, а также коммутаторы, устройства кроссировки и другие приборы.
28
Глава 1. Что такое телеметрия?
В современных системах телеметрии широко используются устройства
цифрового и помехоустойчивого кодирования данных. Переход от анало-
говых к цифровым методам передачи информации позволяет существенно
повысить ряд важнейших показателей ИТС. В современных ИТС в состав их
передающей части зачастую входит аппаратура предварительной обработки
информации, обеспечивающая сокращение избыточности передаваемых со-
общений, получение обобщенных данных, согласование производительности
системы с пропускной способностью канала связи и решение других задач.
Приемно-регистрирующая аппаратура обеспечивает прием, селекцию,
декодирование, регистрацию и отображение телеметрической информа-
ции. Принятый сигнал с выхода приемника поступает в устройство селек-
ции и декодирования. Здесь осуществляется выделение части телеметричес-
ких сигналов, которые поступают в устройство визуального отображения
данных. Этим достигается возможность оперативного контроля наиболее
важных ТМП в темпе приема информации. Одновременно весь поток при-
нимаемых данных после необходимых преобразований поступает на вход
магнитного регистрирующего устройства.
При частотном разделении каналов селекция отдельных сообщений из
группового сигнала осуществляется по частотному признаку с помощью
полосовых разделительных фильтров. При временном разделении ка-
налов селекция осуществляется по временному признаку, для чего ис-
пользуются сигналы синхронизации, определяющие временные границы
канальных интервалов (отдельных сигналов) и кадров (полной совокуп-
ности сигналов всех каналов). В РТС с кодовым разделением каналов со-
общения обычно передаются во времени последовательно, как при ВРК,
однако их селекция осуществляется по кодовым признакам, которыми на-
деляется каждый из каналов в отдельности.
После селекции и преобразования наиболее важные параметры отобра-
жаются обычно не только с помощью электронно-лучевых индикаторов,
но и с помощью графических устройств. Обзорные графики дополняются
метками времени и другой служебной информацией, облегчающей ее де-
шифровку и быстрое восприятие.
С выхода приемно-регистрирующей аппаратуры информация поступает в
электронно-вычислительную машину для обработки данных телеизмере-
ний. С этой целью применяются как универсальные, так и специализирован-
ные вычислительные машины. Возможна также неавтоматизированная
(ручная) обработка данных. В результате обработки данных получаются гра-
фики и таблицы измеряемых физических величин (ТМП) в абсолютных или
относительных единицах с привязкой к бортовому или наземному времени.
Основными операциями первичной обработки телеметрической информа-
29
Современная телеметрия в теории и на практике
ции являются дешифровка данных, отбраковка ошибок, усреднение отсче-
тов, выделение экстремальных значений параметров, контроль за отклоне-
нием от номинальных значений и др.
Следующим этапом обработки информации является анализ или вторич-
ная обработка данных, которая производится с целью определения ха-
рактеристик контролируемого объекта, его агрегатов и систем, отыска-
ния неисправностей, получения обобщенных данных и т. д.
1.2.2. Классификация информационно-телеметрических
систем
В настоящее время существует большое количество различных ИТС, поэтому
целесообразно стремиться к установлению некоторого порядка, облегчающего
их обозрение. Приведенная ниже классификация в известной мере является
условной, так как на практике не всегда представляется возможным четко раз-
делить телеметрические системы на определенные типы и группы.
Обычно ИТС классифицируются по ряду признаков: назначению, области
применения, принципу измерения параметров, способу разделения кана-
лов, методу передачи информации и др.
1.	По назначению ИТС подразделяются на оперативные, регистриру-
ющие и комбинированные.
Оперативные ИТС входят в состав системы телеуправления в качест-
ве информационного звена. Измерительная информация, получаемая
с помощью телеметрической системы, используется с целью форми-
рования команд управления.
Регистрирующие ИТС служат для документальной регистрации боль-
шого числа разнообразных ТМП, характеризующих работу агрегатов
и систем объекта, параметров окружающего пространства, медико-
биологических параметров и др. По сравнению с оперативными систе-
мами, регистрирующие ИТС имеют большое число каналов и характе-
ризуются значительным временем обработки информации.
Комбинированные ИТС выполняют функции как оперативных, так
и регистрирующих систем. Большинство современных ИТС отно-
сится к комбинированным системам.
2.	В зависимости от области применения ИТС можно разделить на ряд
типов: для контроля производственных процессов, для различных
научных исследований, для испытаний авиационной, ракетно-кос-
мической техники и т. п.
30
Глава 1. Что такое телеметрия?
Каждый из указанных типов ИТС имеет ряд существенных особен-
ностей, касающихся как принципов построения, так и конструктив-
ных решений.
3.	По принципу измерения телеметрируемых параметров ИТС можно
разделить на системы телесигнализации и системы телеизмерений.
Первые служат главным образом для передачи отдельных значений
ТМП и событий: «да - нет», «включено - выключено», «работает - не
работает» и т. п. Как правило, системы телесигнализации отличаются
относительно невысокой скоростью передачи данных. Системы вто-
рого типа позволяют контролировать характер изменения ТМП во
времени с необходимой точностью, а также передавать дискретные
(сигнальные) сообщения. Канал связи этих систем обычно отличает-
ся большой пропускной способностью.
4.	По способу разделения каналов ИТС подразделяются на системы с
временным, частотным адресным и комбинированным разделением
каналов. Наиболее часто на практике используется комбинация час-
тотного и временного разделения каналов.
5.	В зависимости от типа линии связи ИТС делятся на системы с
проводным каналом, радиоканалом и оптическим каналом связи.
Системы проводной телеметрии широко применяются в промыш-
ленности и военном деле. К ним, в частности, относятся стендовые
регистраторы, используемые при отработке реактивных двигателей
на испытательных стендах.
6.	По принципу использования канала связи ИТС подразделяются
на системы с собственным каналом и с совмещенным каналом. На
практике часто одна радиолиния служит для измерения параметров
движения и передачи телеметрической информации. Совмещение ка-
налов позволяет снизить вес аппаратуры и потребление электроэнер-
гии на борту летательного аппарата.
7.	По способу передачи телеметрической информации ИТС делятся
на аналоговые и цифровые. Цифровые методы передачи информа-
ции широко используются в космической телеметрии. Они обладают
достаточно высокой помехоустойчивостью, относительно узкой по-
лосой частот и рядом других положительных качеств.
8.	По информативности (пропускной способности) ИТС делятся на
системы малой, средней и высокой информативности. К ИТС ма-
лой информативности относятся системы, где граничная частота
ТМП F = 5-ь 15 Гц, а суммарная полезная полоса частот всех каналов
AFZ = 3004-500 Гц. Системы средней информативности, используемые
31
Современная телеметрия в теории и на практике
для передачи широкополосной информации, характеризуются значе-
ниями Fm = ЮОч-2000 Гц и AFZ в 5000 Гц. В системах высокой инфор-
мативности F =1004-2000 Гц и AF = 4000-^20000 Гц.
m	Е	л
9.	В зависимости от способа обслуживания ИТС можно разделить на
неадаптивные и адаптивные (самонастраивающиеся или приспосаб-
ливающиеся). Последние отличаются значительной сложностью, но
более высокой гибкостью. Они позволяют менять программу телеиз-
мерений, точность передачи и частоту дискретизации ТМП, регули-
ровать скорости передачи данных, приспосабливаться к изменению
помеховой обстановки в канале связи и т. п. Их применение может
дать значительный экономический эффект, главным образом, в связи
с исключением избыточных данных, которые не передаются по кана-
лу связи и не представляют ценности для потребителя информации.
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 1
1.	Гертиг О. Ю., Урманчеев С. И. Зарубежные цифровые радиотелемет-
рические системы (обзор по материалам зарубежной прессы). - МО
СССР, 1970.- 45 с.
2.	Жаков А. М. Как управляют спутниками. - Л.: Лениздат, 1986. - 136 с.
3.	Меньшиков В. Л. Байконур: моя боль и любовь. - М.: ИЦ «Гарант», 1994.
- 232 с.
4.	Переверткин С. М., Кантор А. В., Бородин Н. Ф. и др. Бортовая телемет-
рическая аппаратура космических летательных аппаратов. - М.: «Маши- *
построение», 1977. -- 208 с.
5.	Поляков О. М., Степанов В. С., Чуркин А. В. Зарубежное информацион-
но-телеметрическое обеспечение. - МО СССР, 1980. - 48 с.
6.	ГОСТ 19619-74. Оборудование радиотелеметрическое. Термины и опре-
деления.
7.	Белицкий В. И., Зверев Р. И., Морозов В. М. и др. Телеметрия. - Л.: МО
СССР, 1984. - 465 с.
8.	Зверев Р. И., Шитов И. В. Основы радиотелеметрии. Учебное пособие.
Часть I. - Л.: МО СССР, 1978.- 195 с.
9.	Победоносцев В. А. Основания информметрии. - М.: «Радио и связь»,
2000. - 192 с.
Глава 2.
Теория телеметрии
2 Заж. 861
2.1.	ТЕЛЕМЕТРИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СПОСОБЫ ИХ
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Под телеметрируемым параметром понимается показатель физического
процесса, события или явления, значение или поведение которого подле-
жит измерению или контролю телеметрической системой.
Измеряемые физические величины A(t) разделяются на постоянные и пере-
менные во времени. Для постоянной величины достаточно определить лишь
одно ее мгновенное значение. Переменные во времени величины могут быть
детерминированными и случайными. При детерминированном характере,
например гармоническом, изменения мгновенного значения X(t) неизвест-
ной может быть амплитуда. Закон изменения параметра может быть опреде-
лен по мгновенным значениям А,.. Наиболее общим является телеметрирова-
ние параметров со случайным законом изменения величины X(t).
Физические параметры применительно к телеметрии летательных аппара-
тов характеризуют:
•	состояние и функционирование бортовой аппаратуры летательного
аппарата, его систем и агрегатов;
•	поведение и состояние человека;
•	окружающую среду.
Телеметрируемые параметры (ТМП) в зависимости от задач контроля
объекта могут быть представлены в виде непрерывных или дискрет-
ных функций времени. Часто достаточно иметь данные об экстремальных
и средних значениях или дисперсиях, а также о моментах превышения
34
Глава 2. Теория телеметрии
параметром заданного уровня или о выходе его из зоны допуска. Су-
ществует большая группа параметров, для которых достаточно знать
спектральные характеристики (распределение амплитуд частотных со-
ставляющих, изменение во времени отдельных частотных компонентов,
энергетический спектр или корреляционную функцию).
2.1.1.	Классификация телеметрируемых параметров
Телеметрируемые параметры классифицируются по ряду признаков. Как
было сказано в первой главе, по характеру изменения во времени ТМП
делятся на функциональные и сигнальные. Функциональные параметры
(рис. 2.1а) являются непрерывными функциями времени, число града-
ций параметров по уровню бесконечно. Плавно изменяются многие физи-
ческие параметры, например температура, давление, влажность и т. д.
а)
Рис. 2.1. Функциональные и сигнальные параметры
О t ср	t
б)
Сигнальные параметры (рис. 2.16) характеризуются скачкообразным
изменением во времени значения физической величины. К ним относят-
ся, например, параметры «включено - выключено», «норма - не норма»,
«да - нет» и т.п.
В зависимости от скорости изменения во времени ТМП делятся на медленно
меняющиеся и быстро меняющиеся. Первые характеризуются шириной спек-
тра от 0 до 20-50 Гц, а вторые имеют верхнюю границу спектра от единиц до
десятков и сотен килогерц. Подавляющее большинство ТМП является мед-
ленно меняющимися функциями времени. К ним относятся температура твер-
дых и жидких тел и газов, давление, механические и угловые перемещения,
скорость и ускорение и т. д. В группу быстро меняющихся параметров входят
вибрации, акустические шумы и переходные процессы в различных системах.
35
Современная телеметрия в теории и на практике
ТМП независимо от их физической природы в большинстве случаев
являются случайными нестационарными процессами, однако всегда мож-
но определить относительно протяженные участки стационарности. Как
и всякий случайный стационарный процесс, зависимость X(t) можно оха-
рактеризовать числовыми характеристиками:
•	одномерной и многомерными функциями распределения;
•	одномерной и многомерной плотностью вероятности случайного
процесса;
•	распределением вероятностей случайных дискретных величин;
•	средним значением или математическим ожиданием;
•	дисперсией;
•	функцией корреляции (автокорреляционной и взаимно корреля-
ционной);
•	спектральной плотностью.
Знание этих характеристик или их получение на основе обработки резуль-
татов телеизмерений позволяет решать новые задачи познания материаль-
ного мира, в которых телеметрии принадлежит достойное место.
2.1.2.	Телеметрические сообщения
Информация о ТМП передается в виде телеметрических сообщений S(t).
Под телеметрическим сообщением понимается сообщение, передаваемое
телеметрической системой, несущее информацию о контролируемых собы-
тиях и процессах, а также служебную информацию.
Для современной телеметрии характерны три вида сообщений:
•	Сообщения о событиях типа «включено-выключено», «да-нет»,
«работает-не работает» и т.п. Показателем таких событий является
состояние объекта или системы на данный момент времени, в кото-
рый произошло событие.
•	Сообщения, несущие информацию о величинах телеметрируемых
параметров в определенный момент времени. Такие сообщения со-
держат сведения об отдельных измерениях физических величин.
•	Сообщения о процессах конечной длительности, представленных
в непрерывной или дискретной форме.
36
Г лава 2. Теория телеметрии
2-1.3. Способы представления телеметрируемых параметров
С помощью датчиков ТМП функционального типа Х(1) преобразуются
в первичные сигналы S(t), которые затем могут быть представлены в одном
из следующих видов:
•	непрерывном;
•	дискретном;
• квантованном;
• дискретно-квантованном.
ПредставлениеТМП является преобразованием нервичногосигналав видео-
сигнал, который в последующем используется для модуляции или коди-
рования. Оно характеризуется установлением определенной связи между
информативными параметрами первичного сигнала и видеосигнала.
При непрерывном представлении первичный сигнал и видеосигнал отлича-
ются только масштабом (рис.
2.2а). В общем случае коэф-
фициент масштаба является
нелинейным, однако в каждый
момент времени между пер-
вичным сигналом и видеосиг-
налом существует однозначное
соответствие.
Рис. 2.2. Виды представления телеметрируемых параметров
37
Современная телеметрия в теории и на практике
Примером непрерывного представления может служить сигнал на выходе
согласующего устройства аналогового датчика.
При дискретном представлении однозначное соответствие между первич-
ным сигналом S(t) и видеосигналом S(t) существует только в дискретные
интервалы времени t. (рис. 2.26). Процесс дискретного представления
называют дискретизацией или опросом датчиков.
Отдельные дискреты называются отсчетами, а интервал их следования
- периодом опроса То. Частота следования отсчетов Fo часто назы-
вается частотой опроса. Таким образом, при дискретном представлении
видеосигнал является последовательностью импульсов, модулированных
по амплитуде в соответствии с изменением параметра. Дискретное пред-
ставление часто называют квантованием во времени.
При квантованном представлении осуществляется квантование первично-
го сигнала по амплитуде (рис. 2.2в). Если при дискретизации осуществля-
ется фиксация произвольных значений непрерывно меняющегося первич-
ного сигнала S(t) в дискретные моменты времени tP то при квантовании
по амплитуде производится фиксация дискретных уровней S, сигнала S(t)
в произвольные моменты времени. Поэтому часто говорят, что при кванто-
вании непрерывная шкала изменения параметра заменяется дискретной.
При дискретно-квантованном представлении осуществляется квантование
и во времени, и по амплитуде одновременно (рис. 2.2г). В результате этого
представления непрерывно меняющийся сигнал S(t) заменяется в дискрет-
ные моменты времени t. дискретными по амплитуде уровнями S;. При этом
вместо действительного значения сигнала после преобразования выдается
значение либо ближайшего к нему нижнего уровня (рис. 2.2г), либо ближай-
шего верхнего уровня, либо ближайшего верхнего или нижнего уровня.
В последнем случае, если действительное значение находится ближе к ниж-
нему уровню, то фиксируется нижний уровень, а если к верхнему, то -
Рис. 2.3. Квантование с фиксацией ближайшего уровня
38
Глава 2. Теория телеметрии
В общем случае в процессе квантования и дискретизации в сигнал вносятся
дополнительные погрешности. Совершенно точно восстановить первичный
сигнал по квантованному видеосигналу нельзя. Следовательно, операции
квантования и дискретизации являются существенными с информацион-
ной точки зрения: при этих преобразованиях погрешность передачи возрас-
тает, а количество сведений в сигнале о параметре уменьшается.
В связи с этим важное значение приобретает выяснение вопроса о том, как
нужно осуществлять квантование и дискретизацию, чтобы вносимая при
этом погрешность укладывалась в допустимые пределы, которые определя-
ются требуемой точностью телеизмерений. Квантование и дискретизация
тесно связаны с количественной оценкой телеметрической информации.
Поэтому в последующих подразделах вопросы погрешностей и количест-
венной оценки будут рассмотрены более подробно.
2.2. ПОГРЕШНОСТИ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ
Погрешность телеметрической системы является одной из важнейших ее
характеристик. Поэтому в телеметрии большое внимание уделяется анали-
зу погрешностей, возникающих в измерительном тракте, и синтезу системы
или отдельных ее элементов, удовлетворяющих предъявляемым точност-
ным требованиям.
2-2-1 - Характеристика и классификация погрешностей
ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ
Верность оценки телеметрического сообщения
И ТОЧНОСТЬ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ
Измеренная с помощью телеметрической системы величина параметра
A? (t) отличается от истинного значения параметра A,(t) на величину:
е(0=ХО)-ад,	(2.1)
которая называется абсолютной погрешностью телеизмерений или погреш-
ностью телеметрирования (рис. 2.4).
Для сравнительного анализа точностных характеристик телеметричес-
ких систем, кроме термина погрешность, также используются термины
39
Современная телеметрия в теории и на практике
Рис. 2.4. Определение абсолютной погрешности телеизмерений
«верность оценки телеметрического сообщения» и «точность телеизме-
рения».
Под верностью понимается показатель соответствия полученной оценки
телеметрического сообщения его истинному значению [1]. Точность ука-
зывает степень приближения результата измерения к истинному значению.
Чем меньше погрешность, тем больше точность. При оценивании отдельных
значений ТМП верность оценки характеризуется точностью измерений [1].
Истинное значение параметра A,(t) обычно неизвестно, поэтому абсолют-
ную погрешность вычислить невозможно. В связи с этим вводится понятие
предельной абсолютной погрешности, которая характеризуется величиной,
не меньшей абсолютной погрешности. Относительная погрешность есть
абсолютная величина отношения абсолютной погрешности к истинному
значению измеряемой величины:
3=|.	(2.2)
Л
Параметр X(t) изменяется от некоторого минимального значения Xrojn до
максимального А,тах. Размах изменения L = Хтах - Xmin называется шкалой
изменения параметра. Для характеристики телеметрических систем часто
используется приведенное к этой шкале максимальное значение абсолютной
погрешности'.
8„ =	(2.3)
40
Глава 2. Теория телеметрии
Выраженное в процентах максимальное значение приведенной погреш-
ности:
5 =^^in“-100%
т L
указывает класс точности ИТС, обозначаемый одним из чисел 0,1; 1; 2; 3...
Погрешность e(t), как правило, носит случайный характер и достигает свое-
го максимального значения крайне редко. Поэтому максимальное значение
приведенной погрешности не всегда удобно для характеристики измери-
тельной системы: при низкой вероятности максимальная погрешность
может не встретиться за весь срок службы ИТС.
Этим объясняется широкое использование среднеквадратической погреш-
ности а, а чаще среднеквадратической погрешности, приведенной к шкале
параметра:
(2.4)
На практике часто оказывается, что погрешность e(t) является эргодичес-
ким процессом и погрешность о может быть вычислена по формуле:
1 F
о=- fe2(t)dt	(2.5)
У о
при достаточно большом времени наблюдения. Этой же формулой можно
воспользоваться, если погрешность e(t) является процессом, приводимым
к эргодическому.
Возникновение погрешностей обусловлено искажениями сигналов в про-
цессе их преобразований, передачи и обработки в устройствах ИТС. Основ-
ные составляющие, из которых образуется результирующая погрешность
системы телеизмерений, приведены в табл. 2.1. В связи с тем, что ИТС яв-
ляется измерительной системой, в последующем будут рассмотрены анализ
и расчет всех составляющих результирующей погрешности и синтез систе-
мы, обеспечивающей заданную погрешность телеизмерения.
Таблица 2.1. Составляющие суммарной погрешности телеизмерений
Составляющие погрешности	Обозначение погрешности	
	Приведенной к шкале	Среднеквадратической, приведенной к шкале
Датчиков (измерительных преобразователей)	S„„	г„„
Дискретизации	5,	L
Квантования	8«.	
41
Современная телеметрия в теории и на практике
Таблица 2.1. (Продолжение) Составляющие суммарной погрешности теле-
измерений
Составляющие погрешности	Обозначение погрешности	
	Приведенной к шкале	Среднеквадратической, приведенной к шкале
Преобразования	S пр	у 1 пр
Синхронизации	5	YT
Регистрации	5Р	Гр
Обработки	S'	Yo
Сжатия	5еж	
Межканальные	5М	Гм
Классификация погрешностей по признакам, отвлеченным от физичес-
кой ПРИРОДЫ И СВОЙСТВЕННЫМ САМЫМ РАЗЛИЧНЫМ ПОГРЕШНОСТЯМ
В основе приведенной в табл. 2.1 классификации лежит название устройств
или процессов, связанных с возникновением погрешностей. В то же время
для уяснения методов анализа погрешностей и синтеза точных систем важ-
ное значение имеет классификация погрешностей по признакам, отвлечен-
ным от физической природы и свойственным самым различным погреш-
ностям (табл. 2.2).
Таблица 2.2.
11ризнак классификации	Н аз ва н и е 11 о гре ш п ости
Причина возникновения	Методические Инструментальные
Связь с измеряемым параметром	Аддитивные Мультипликативные
Соотношение инерционности измерителя и измеряемого процесса	Динамические Случайные (шумовые)
Характер изменения во времени	Систематические Случайные
В соответствии с причиной, порождающей погрешности, они подразде-
ляются на методические и инструментальные. Методические погрешности
обусловлены несовершенством метода измерений или метода преобразо-
ваний измеряемых величин. Так, например, в цифровых ИТС обязательно
имеют место погрешности квантования. Они присущи методу квантования
и не могут быть устранены путем совершенствования аппаратуры.
Инструментальные или аппаратурные погрешности обусловлены несовер-
шенством измерительных средств. Примером такой погрешности может
42
Глава 2. Теория телеметрии
служить погрешность, возникающая из-за неточного определения уровней
калибровки, неточной градуировки канала измерений или нелинейнос-
ти шкалы. Инструментальная погрешность может быть принципиально
устранена путем совершенствования измерительных средств, хотя эту воз-
можность на практике реализовать обычно трудно.
В зависимости от характера связи с измеряемой величиной погрешнос-
ти подразделяются на аддитивные n(t) и мультипликативные m(t). Ре-
зультат измерения параметра V(t) и погрешности связаны соотношением:
Х'(/) = X(/)m(/) + n(t).	(2.6)
Аддитивные погрешности суммируются с истинным значением ?v(t) изме-
ряемой величины, а мультипликативные связаны с самой измеряемой вели-
чиной и порождены, как часто говорят, ее модуляцией возмущающим воз-
действием. Поэтому такие погрешности часто называют модуляционными.
Примером аддитивных погрешностей могут служить шумы приемного уст-
ройства, которые, складываясь с сигналом в высокочастотном тракте, иска-
жают сто, вызывая погрешность измерения. Примером мультипликативной
погрешности может служить искажение сигнала при распространении ра-
диоволн из-за нестабильности коэффициента усиления системы.
Соотношение инерционности измерительного устройства и скорости из-
менения параметра является признаком классификации погрешностей, в
соответствии с которым они подразделяются на динамические и статичес-
кие. Динамическая погрешность обусловлена инерционностью устройств
ИТС. Например, инерционность датчика приводит к тому, что высокочас-
тотные составляющие спектра параметра уменьшаются по величине. Это
вызывает погрешность.
Статическая погрешность характеризует неточности ИТС, когда инерцион-
ностью можно пренебречь, что характерно, например, для измерения пос-
тоянных или мало изменяющихся на интервале наблюдения параметров.
Таким образом, динамическая погрешность связана со сглаживанием, то
есть с искажением быстрых флуктуаций параметра, а статическая - с нало-
жением па сигнал в тракте ИТС всякого рода неточностей.
В зависимости от характера изменения во времени различают погреш-
ности систематические и случайные. Причиной систематических погреш-
ностей является несовершенство метода измерения или аппаратуры, а ха-
рактерной особенностью - постоянство от измерения к измерению, или
изменение по определенному закону. Примерами систематических ошибок
могут служить погрешности, вызванные неточной установкой шкалы и не-
точной градуировкой прибора.
Систематические погрешности могут быть определены эксперименталь-
ным или расчетным путем с некоторой погрешностью и исключены из из-
43
Современная телеметрия в теории и на практике
мерений путем внесения поправок. Поправка еп - это величина, которую
нужно прибавить к результату измерения, чтобы получить более близкое
к истинному значение измеряемой величины:
Кст ~ ^'+гпопр 	(2-7)
Следовательно, поправка равна систематической погрешности по величине
и противоположна по знаку:
8	= -8	(2.8)
Полного исключения систематических погрешностей добиться нельзя: их ми-
нимальный уровень можно довести лишь до уровня случайных погрешностей.
Случайными называют неопределенные по величине и природе погрешнос-
ти, случайно изменяющиеся от измерения к измерению. Примером случай-
ной погрешности может быть погрешность, возникающая вследствие иска-
жений сигналов при передаче по радиоканалу ИТС.
Разница между систематическими и случайными погрешностями условна.
Погрешность случайна до тех пор, пока неизвестна причина, ее порождаю-
щая. Поэтому случайная погрешность после выяснения ее причины может
перейти в систематическую, если будет точно установлена функциональная
связь погрешности и причины.
Случайную погрешность, которая существенно превышает ожидаемую,
называют промахом или аномальной погрешностью. Таким образом, харак-
терными признаками промаха являются большая величина и малая вероят-
ность появления. Причинами промахов являются кратковременные сбои в
работе аппаратуры, резкое ухудшение условий распространения радиоволн,
наложение на сигнал помех от близко расположенных источников излуче-
ния радиоволн и т. п. На практике часто промахом 8а считают погрешность,
втрое превышающую ее среднеквадратическое значение:
8д>3у.	(2.9)
Если погрешность 8 имеет нормальное распределение, то вероятность появ-
ления промахов Р8й >3у =0,0027. Следовательно, разница между прома-
хами и случайными погрешностями определена не четко. Кроме того, боль-
шие выбросы параметра также можно принять за промахи.
2.2.2.	Вычисление суммарной среднеквадратической
ПОГРЕШНОСТИ ПО ИЗВЕСТНЫМ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКИМ
ПОГРЕШНОСТЯМ СОСТАВЛЯЮЩИХ
Если составляющие погрешности являются случайными величинами, то
44
Глава 2. Теория телеметрии
для нахождения суммарной среднеквадратической погрешности можно
воспользоваться известным из математической статистики положением о том,
что дисперсия суммы нескольких случайных величин равна сумме их диспер-
сий и произведений каждого коэффициента попарной корреляции случай-
ных величин на их среднеквадратические отклонения. В соответствии с этим
для суммы погрешностей:
Ej +Е2 +Е3 +... + Еп,
имеющих коэффициенты корреляции rI2, r13,...rik,...n среднеквадратичес-
кие значения о2,оп, дисперсия:
OI = O[Ej+D[eJ+..J5[e.]+Xr,S,8,.	(2.10)
i*k
Приведенное к шкале среднеквадратическое значение погрешности:
>Y?2+...+?>£ г,Y,Y* >	(2.11)
i*k
dD[£i]
где у	—L22.
L
Наиболее часто суммируются две погрешности с коэффициентом корреля-
ции г. В этом случае:
Yz = ^,2+У22+Ш2 •	(2-12)
Если составляющие погрешности статистически независимы, то rik = 0 и
Yz=JZj,2-	(2.13)
V /=1
Погрешности, определяющие1 суммарную погрешность телеизмерений
(см. табл. 2.1), можно считать < й нстически независимыми. Следовательно:
Ут = ^и.п +Yd +У2в +Уш +У2р +Yt2 +Yp2 +Yo +Тс2ж +YM2 •	(2-14)
Следует отметить, что составляющие погрешности в ряде случаев оказы-
ваются функционально связанными, но при этом статистически независи-
мыми. Так, например, погрешности квантования укв и шумовая ун| при фик-
сированной длительности канального интервала связаны через значность
кода: увеличение значности кода приводит к уменьшению погрешности укв
и увеличению уж Тем не менее они статистически независимы.
Рассмотрим некоторые свойства соотношения (2.13), которые необходи-
45
Современная телеметрия в теории и на практике
мо учитывать при расчете суммарной погрешности и решении обратной
задачи, когда по заданной погрешности системы находят погрешности ее
элементов, то есть определяют требования к этим элементам в отношении
точности.
Так как суммируются квадраты отдельных среднеквадратических погреш-
ностей, вклад каждой составляющей быстро убывает при уменьшении ее ве-
личины. Поясним это на следующем примере. Пусть составляющие Yt=3%,
у2= 1%. Тогда у£ =	+ у2 = д/з2 +12 - 3,15%. Таким образом, вклад вто-
рой составляющей в суммарную погрешность составляет 0,15% и им прак-
тически можно пренебречь.
В общем виде формула для результирующей погрешности может быть за-
писана следующим образом:
I fy2Y
Yx=Yu1+ ~
V IyJ
Y, 1 + 1 P
2Iy>.
(2.15)
Приближение с погрешностью, не превышающей 1%, справедливо при
у2 < 0,5уг Из формулы (2.15) следует, что вклад второй составляющей в
результирующую погрешность в относительных единицах равен */2 (Y2/Yi)•
Если считать увеличение погрешности за счет добавления второй состав-
ляющей пренебрежимо малым при условии, что суммарная погрешность
увеличивается на 10 %, или на 0,1, по сравнению с одной составляющей, то
-f—т
2lYl J
<0,1 или У2 <0,45у,
(2.16)
Соотношение (2.16) позволяет сделать заключение о том, что если
меньшая составляющая отличается от большей более чем в два раза, то
ею в принципе можно пренебречь. Это позволяет сделать практичес-
кие выводы. Пусть, например, погрешность датчиков составляет 1-3%
и необходимо, чтобы ИТС не вносила дополнительной погрешности
в суммарный результат. В соответствии с соотношением (2.16) можно
определить требования к погрешности ИТС: она должна быть не более
0,45-1,35 %.
Проведенный анализ формулы суммарной погрешности (2.13) позволяет
определить разумный подход к распределению суммарной погрешности
между составляющими.
Обычно погрешность датчика оказывается большой. В этом случае исходят
46
Глава 2. Теория телеметрии
из того, что погрешности тракта ИТС нс должны существенно ухудшать
точности измерений. Распределение погрешностей производится по форму-
ле (2.13). при этом все составляющие принимаются примерно одинаковыми.
Если погрешности датчиков уип малы, то суммарная погрешность распре-
деляется поровну между составляющими. Такое распределение позволяет
предъявить одинаковые в отношении точности требования к элементам ИТС.
При проектировании ИТС величина составляющих суммарной погрешнос-
ти выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечивалась возможность техни-
ческой реализации тех устройств, которые определяют эти погрешности.
2.2.3.	Суммирование систематических погрешностей
Суммирование систематических погрешностей производится алгебраичес-
ки с учетом их знаков. При этом суммируются относительные погрешности,
погрешности, приведенные к шкале или пересчитанные к одному сечению
ИТС (например, к выходу). Чаще всего погрешность выражается в процен-
тах шкалы, поэтому пересчет не нужен.
Знание суммарной систематической погрешности позволяет по формуле
(2.8) определить поправку и с определенной надежностью исключить сис-
тематические погрешности. Определение систематических погрешностей
на практике затруднено ввиду неизвестности истинного значения вели-
чины параметра. Математическое ожидание результатов ряда измерений
представляет собой сумму математического ожидания погрешности и ис-
тинного значения измеряемой величины:
Л/р/]=Х + Л/[е].
Магемат ическое ожидание погрешности есть систематическая погрешность
системы е :
(. И' 1
Ес«ст=^[Е]-М[Г]-к.
Хорошего приближения математического ожидания Л/[Х/] к истинному
значению Л можно достигнуть проведением достаточного числа серий из-
мерений, выполняемых различными методами и средствами со случайным
рассеиванием их центров, а затем усреднением всех результатов, то есть
вычислением где черта означает усреднение по множеству различных
методов и средств, а волнистая линия - усреднение при проведении изме-
рений в каждой серии.
47
Современная телеметрия в теории и на практике
2.2.4.	Погрешности квантования функциональных
параметров
На вход устройств квантования и дискретизации поступает первичный сиг-
нал 5(/), являющийся аналогом телеметрируемого параметра Х(/). Вы-
полняемое датчиком преобразование Х(/)—>5(/) несущественно с точки
зрения рассмотрения процессов квантования и дискретизации. Поэтому
часто говорят о квантовании и дискретизации параметров, что хорошо от-
ражает существо этих процессов.
Квантование сигналов состоит в замене непрерывной шкалы телеметри-
руемого параметра дискретной: параметр может принимать только опре-
деленные, заранее установленные значения, называемые уровнями кван-
тования. Таким образом, значение параметра округляется до величины,
соответствующей ближайшему квантованному уровню.
Наиболее просто технически реализуется способ квантования, при котором
значения параметра в интервале квантования, ограниченном двумя смеж-
ными уровнями, округляются до его нижней границы, то есть фиксируется
ближайший к значению параметра нижний уровень (рис. 2.5). Этот способ
находит наибольшее распространение, и поэтому целесообразно оценить
погрешности квантования применительно к нему.
Рис. 2.5. Квантование с фиксацией нижнего уровня
Появление погрешности квантования £кв, часто называемой шумом кван-
тования, амплитудные характеристики и зависимости погрешности кванто-
вания екв от величины параметра X показаны на рис. 2.6. При округлении
до нижнего квантованного уровня погрешность квантования равна значе-
нию, определяемому следующим образом:
екв(/) = \в(0_^(0 ПРИ Хкв i < X < XKBi 4-,
где f-id - квантованное значение параметра X •
48
Глава 2. Теория телеметрии
Найдем для этого случая математическое ожидание и дисперсию шума
квантования. Предположим, что заранее известна плотность вероятности
параметра Р(2с) Параметр распределен случайно в пределах интервала
квантования с условной плотностью вероятности:
=	.... (2.17)
где Pt ~ вероятность появления результата квантования XKai = id.
Величина I / Р. в выражении 2.16 играет роль нормирующего множителя.
Для того чтобы | к Р(Х) d \ = 1, необходимо принять к = 1 / Р..
kJ
Принимая во внимание, что X = ХКВ + £кв, и используя выражение (2.16),
получаем условную плотность вероятности шума квантования:
п/р \*	\ Г(екз+^в.)
'Че)------р-------
Таким образом, условная плотность вероятности шума квантования с точ-
ностью до постоянного нормирующего множителя совпадает с плотностью
вероятности параметра в пределах взятого интервала квантования.
Безусловная плотность вероятности шума квантования находится путем
усреднения условной плотности по всем возможным значениям квантован-
ного сигнала:
а/	м
=	+	-rfse„<0. (2.18)
/--V	/=0
49
Современная телеметрия в теории и на практике
Число уровней квантования:
М = ^ + \.	(2 19)
Безусловная плотность вероятности шума квантования близка к равномерной
(рис. 2.7а). Это объясняется взаимной компенсацией наклонов слагаемых в
сумме (2.17). В том случае, если априорное распределение параметра симмет-
рично, плотность вероятностей Т(€кп) будет равномерной, так как при сум-
мировании условных плотностей вероятностей можно образовать пары, каж-
дая из которых будет давать постоянную плотность (рис.2.7 б). Следовательно,
при наиболее часто встречающихся нормальном и равномерном законах рас-
пределения параметра шум квантования имеет равномерное распределение.
P(e)f
-d mE
Рис. 2.7. Плотности вероятностей шума квантования и ТМП
Из рис. 2.7а видно, что математическое ожидание погрешности квантования
mz = -d / 2 . С учетом этого можно вычислить дисперсию погрешности
квантования:
О..=	<220>
КВ J I КВ.	I	кв
-d	'
Среднеквадратическое значение погрешности квантования.
<2 20
Значение среднеквадратической погрешности, приведенной
L -- d(M -1/ • выражается как
Y =£^ =_______!____
" L (М-1) Sv'S
к шкале
(2.22)
Кван гование лежит в основе цифровых методов передачи: передается не ис-
тинное значение параметра, а соответствующий ему номер квантованного
уровня, выраженный цифрой.
50
Глава 2. Теория телеметрии
Часто уровни нумеруются в двоичном коде. Разрядность простого двоично-
го кода п определяется числом уровней квантования М:
п > log2 М.
(2.23)
При этом п выбирается ближайшим целым числом.
Если задается среднеквадратическая погрешность Укв и требуется опреде-
лить число разрядов преобразователя, то:
(2.24)
Если среднеквадратическая погрешность квантования выражена в про-
центах, то
П > log2
L Ykb
(2.25)
Например, при укв = 1% п = 5.
Следует отметить, что при рассматриваемом способе квантования имеет
место систематическая погрешность, равная математическому ожиданию
d	.	d
тг * =---. Она может быть устранена введением поправки £попр =+—.
2	2
Рассмотренные погрешности носят принципиальный характер. Они обус-
ловлены методом преобразования и поэтому являются методическими.
Кроме того, процесс квантования сопровождается инструментальными по-
грешностями, которые носят индивидуальный для каждого преобразовате-
ля характер и вызываются такими причинами, как неточность изготовления
элементов схемы, изменение параметров элементов и т. п. Инструменталь-
ные погрешности могут быть сведены до величины порядка 0,01 %.
2.2.5.	Погрешности дискретизации функциональных
параметров
Общая информация
Дискретизацию обычно понимают как выборку значений передаваемого
параметра в некоторые моменты времени. Интервалы времени между вы-
борками могут быть одинаковыми и разными. В соответствии с этим гово-
рят о постоянном и переменном периоде опроса То (рис. 2.8).
51
Современная телеметрия в теории и на практике
В понятие «дискретизация» можно вложить более широкий смысл: в вы-
бранные дискретные моменты времени фиксируются некоторые числовые
характеристики сигнала, по которым он может быть восстановлен с задан-
ной точностью. Таким образом, при дискретизации параметр Х(/) заменя-
ется оценкой А/(7), которая представляется в следующем виде:
W)=1лф,(о,
|=о
(2.26)
где а,. - некоторые коэффициенты, определяемые при разложении задан-
ной реализации X(Z) по базисным функциям ф,(0 • Эти коэффициенты и
представляют собой передаваемые данные. В частности, значения коэффи-
циентов ОС, могут быть отсчетами сигнала в дискретные моменты времени:
п
Ш = £ж0)ф(/-гТ0).
/=0
(2.27)
Если параметр является непрерывной функцией времени со спектром,
ограниченным частотой Fm, то, в соответствии с теоремой В. А. Котельнико-
ва (теоремой отсчетов), он может быть представлен в виде отсчетов, следу-
ющих с периодом Тп >---
В этом случае базисная функция:
ф(/) =
sin(27cF„Z)
2nFmZ
представляет собой реакцию на единичный импульс фильтра нижних частот
с граничной частотой Fm. Следовательно, при подаче на вход такого фильтра
последовательности отсчетов X(zT0) на выходе его, в соответствии с выра-
жением (2.26) точно восстанавливается исходный сигнал X'(Z) = X(Z).
Однако практически восстановление происходит с погрешностями, обус-
ловленными рядом причин. Во-первых, идеальный фильтр физически
неосуществим; во-вторых, в реальных условиях число членов ряда (2.26)
ограничено, а по теореме В. А. Котельникова п = ±оо; и в в-третьих, сами
52
Глава 2. Теория телеметрии
отсчеты нс являются единичными импульсами и их временное положение
неточно привязано к тактовым точкам на временной оси.
Кроме того, параметры часто имеют ветви спектра малой интенсивности,
но большой протяженности, когда частоту Fm назначить трудно. Поэтому
восстановление по формуле (2.26) производится либо с помощью опти-
мальных линейных фильтров, либо аппроксимацией сигнала X.'(t) по отсче-
там, когда по переданным ординатам X(iT0) восстанавливается исходный
параметр. Восстановление параметра X'(t) сопровождается погрешностями.
Погрешность дискретизации параметра существенно зависит от способа
его разложения и восстановления. Оценим погрешности дискретизации
для двух способов разложения сигнала.
Погрешность дискретизации при восстановлении функциональных
ПАРАМЕТРОВ С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРОВ
Для восстановления исходного сигнала будем использовать такой фильтр,
отклик которого на интервале времени То совпадает с априорно известной
нормированной корреляционной функцией параметра г(т), показанной
на рис 2.9 а. Сигнал на выходе фильтра:
X'(/) = j;X0To)r(/-zTo).	(2.28)
/=0
Таким образом, между отсчетами осуществляется оптимальное линейное
прогнозирование значений параметра по известной величине предшеству-
ющего отсчета.
На интервале времени Т < То прогнозируемое значение определяется с по-
грешностью, характеризуемой дисперсией:
=О\2[1-Г2(Т)],	(2.29)
53
Современная телеметрия в теории и на практике
Приведенная к шкале величина дисперсии предсказываемых значений
при шкале L « 6ох определяется как:
О2	1
№) = тГ =	)]	<2-30)
L 36u	J
Из этой формулы следует, что дисперсия погрешности предсказания ока-
зывается разной в различных точках интервала времени То (рис. 2.8 б).
Она равна нулю в момент отсчета и увеличивается, достигая максимума
при значении т, близком к То.
Произведем усреднение дисперсии на интервале То:
Уд = ±
А) 0
у р(т)Л
^0 о
(2.31)
Рассмотрим пример. Предположим, что корреляционная функция сигнала
представляется в виде зависимости:
г2(т) = 1 — —,
где т0 - интервал корреляции.
Вычислим по формуле (2.30) среднее значение дисперсии:
у2 =— 1-
Уд Ч
Lfo-Wwr
оо то
108т2
Если ГЭф эффективная ширина спектра параметра, то, обозначив
ГУ —	0 —	^°	Ах
ОС - — - ——, представим эту формулу в следующем виде:
2^,ф
2 _ 6а -1
Уд ~ 108а2 '
(2.32)
Для обеспечения малых погрешностей период опроса приходится выбирать
гораздо меньшим, чем интервал корреляции. Поэтому а » 1 и справедли-
во приближенное соотношение:
y2s_L = Zk.	(2.33)
д 18а 9F0
54
Глава 2. Теория телеметрии
Тогда:
(2.34)
Из формулы (2.33) можно определить требуемое для заданной погреш-
Т
пости отношение периода опроса и интервала корреляции: — = 18у2.
^0
При погрешности, равной 10%, период опроса примерно в пять раз меньше
х
интервала корреляции, а погрешность в 1% требует, чтобы — = 500, при-
т
чем при больших значениях дальнейшее увеличение значения ~ приво-
де
дит к незначительному повышению точности.
Погрешность восстановления можно уменьшить, если по одному отсчету
использовать предсказание не только вперед, но и назад. В этом случае мак-
симум погрешности достигается в середине интервала опроса (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Зависимость дисперсии дискретизации при предсказании вперед и назад
Усредненное и приведенное к шкале значение дисперсии погрешности
определяется так же, как и в предыдущем случае:
Уд =77 1-
Зо
9 К/2
у J Г2(Т)Л
*о о
Для рассмотренной в примере корреляционной функции получаем:
2	6дГ-1_______1_
Уд ~ 36 12<72 ~ 72<7 ’
(2.35)
(2.36)
В соответствии с этим соотношением на интервал корреляции приходится
порядка 140 отсчетов при однопроцентной погрешности восстановления
55
Современная телеметрия в теории и на практике
параметра. К аналогичным результатам приводит рассмотрение корреляци-
онной функции в виде экспоненты:
r(x) = exp(-| т |\х0)
Это объясняется тем, что при То «То можно воспользоваться разложени-
ем экспоненты в ряд, что дает:
г(х)«1-(| т |/х0)
Погрешность дискретизации при восстановлении параметра с помощью
СТЕПЕННЫХ ПОЛИНОМОВ
Интерполяционная формула записывается в следующем виде:
Х'(/) =а0 +а,/+а2/2 + ...+ап/п
(2.37)
При п = 0 интерполяция называется ступенчатой, при n = 1 - линейной,
при п - 2 - параболической.
При использовании интерполирующего полинома степени п значение
погрешности интерполяции [2]:
|е(0| =
1	)
' 1<'-)('-<2(2-38)
где t0, tp... tn - координаты отсчетов, значение лежит внутри интервала
интерполяции.
Интерполяция производится таким образом (рис.2.11), что в точках отсче-
тов интерполяционная кривая А/(/) совпадает с действительным значени-
ем исходного сигнала Х(/).
При ступенчатой интерполяции используется один отсчет Х'(/) = Х(/0).
Погрешность достигает максимума на границе интервала Го. Подставляя
п = 0 в формулу (2.37) для £=Т0, получаем:
ЭХ
(2.39)
56
Глава 2. Теория телеметрии
Рис. 2.11. Восстановление ТМП с помощью интерполяционных полиномов
При линейной интерполяции используются два отсчета Х(/о) и X(Zt) для
интерполяции параметра на интервале То. Погрешность интерполяции
достигает максимума в середине интервала То, поэтому t^-t0=T0/2,
tx-t^ = Т0/2 . Используя формулу (2.37) и подставляя п - 1, получаем:
д2Х Т2
(2.40)
При параболической интерполяции используются три отсчета
^(/o)A(7i)A(^2)> причем -tQ = TQ /2 , tx = TQ /2, t2 = 3T0 /2,
n = 2 .При этом предполагается, что погрешность интерполяции достигает
максимума в середине между отсчетами. Действительное положение мак-
симума погрешности находится дифференцированием функции Е(^) по t
л/З
[см. формулу (2.37)], что дает/^ = ±-у-Г0. Следовательно, с достаточной
для инженерных расчетов точностью можно считать «tx±TQ / 2 . Учитывая
это, по формуле (2.37) вычисляем:
е_
ш
д2Х
dt3
max
т3
*0
16
(2-41)
Обычно из паспортных характеристик датчика известна граничная часто-
та первичного сигнала. Поэтому целесообразно перейти от производных
дпгК! dt” к спектральным характеристикам первичных сигналов.
57
Современная телеметрия в теории и на практике
Верхнюю оценку производной можно найти, используя неравенство С. Н. Берн-
штейна [2]:
(2.42)
где (От = 2л Fm; |X(/)|max - амплитуда отклонения параметра от номи-
нального значения. Так как отклонения параметра, как правило, случай-
ны, то 2Х =L-
Используя формулы (2.38), (2.39), (2.40) и неравенство (2.41), найдем мак-
симальное значение погрешности, приведенной к шкале, для ступенчатой,
линейной и параболической интерполяции:
nF
8Пт =—(2-43)
Л)
ti2F2
Ьд=-----f-,	(2.44)
Д т	тр 2 ’	4	7
TC3F3
5 я	(2.45)
Дт г?3	4	7
Погрешность интерполяции имеет нормальное распределение, поэтому
5w « Зу . Это позволяет по известным значениям для каждого вида
интерполяции найти среднеквадратические погрешности:
Уд «у.	(2.46)
л F2
(247)
7Л»2,5^-.	(2.48)
Используя эти формулы, по заданным погрешностям и граничной
частоте спектра параметра Fw можно найти требуемую частоту опроса.
При восстановлении функций по отсчетам обычно получаются плавные
кривые. Это говорит о том, что интерполяция имеет порядок не меньше
второго. Поэтому для расчета частоты опроса целесообразно пользоваться
формулой (2.47), из которой следует, что
F«“1>35<.	(2.49)
58
Глава 2. Теория телеметрии
На практике требуется обеспечивать погрешность за счет дискретизации
порядка долей процента. Расчеты, выполненные по формуле (2.48), показы-
вают, что при погрешностях дискретизации 10’3 и 10'2, то есть при 0,1 и 1 %,
частота опроса должна превышать граничную частоту спектра первичного
сигнала соответственно в 13,5 и 6,25 раза. Это соответствует опытным дан-
ным, согласно которым частота опроса должна превышать граничную час-
тоту спектра первичного сигнала в 5-10 раз.
2.2.6.	Погрешности дискретизации сигнальных параметров
При передаче сигнальных параметров требуется определить момент сра-
батывания контактного датчика (КД) с заданной погрешностью. Величина
погрешности может быть задана в виде максимальной либо в виде средне-
квадратической погрешности в фиксации момента срабатывания контакт-
ного датчика.
Из-за дискретности опроса контактного датчика момент его срабатыва-
ния фиксируется с запаздыванием (рис. 2.12). Таким образом, погреш-
ность в фиксации времени срабатывания изменяется в пределах от нуля
до То.
Рис. 2.12. Погрешность дискретизации сигнальных параметров
Если задана максимальная погрешность, то ТДтах = TQ. Отсюда:
Fo=— .	(2.50)
т
Дтах о
Распределение времени срабатывания контактного датчика мало влияет на
распределение погрешности Тд, так как период опроса То несоизмеримо
мал по сравнению с интервалом наблюдения. Распределение погрешности
59
Современная телеметрия в теории и на практике
Т
можно считать равномерным в пределах^ = —. Отсюда следует, что
Т
математическое ожидание погрешности тХд = ~, а ее дисперсия:
2
хд
т2
12
Среднеквадратическая погрешность оценки срабатывания КД:
хд
т2
о
2л/з ’
(2-51)
Эта формула может служить исходной для определения частоты опро-
са КД, если задана среднеквадратическая погрешность определения его
срабатывания:
Л> =
2л/3от '
хд
(2.52)
а
О
Расчеты по этой формуле показывают, что при Ot = 0,01 с частота опроса
Г0=29Гц
2.2.7.	Погрешность отсчета времени при передаче сигнальных
ПАРАМЕТРОВ В КАНАЛЕ С ШУМАМИ
Под воздействием помех в канале происходит фиксация ложных срабаты-
ваний КД (рис. 2.13). Возникающая погрешность отсчета времени значи-
тельно превышает другие составляющие общей погрешности и носит ано-
мальный характер. Оценим эту погрешность.
Предположим, что на интервале наблюдения Тн ожидается одно срабаты-
вание.
Ложное
Действительное
Рис. 2.13. Срабатывание КД в канале связи с помехами
60
Глава 2. Теория телеметрии
Вероятность этого события рс - (РйТи )"*. Вероятность искажения сигнала
равна р. Плотности вероятностей времени срабатывания и появления помехи
подчиняются закону Пуассона:
=	(2.53)
Ж) = Х'""-	(2-54)
Предположим также, что р <рс.Ъ противном случае количество информации
о времени срабатывания КД будет отрицательно.
Величина погрешности Д / = tc-tn > 0. Распределение погрешности нахо-
дится по формуле:
p(kt) = f рсе~РсХpe~p{x~^t}dx	при Д t > 0.	(2.55)
Д/	Рс^Р
Для этого распределения математическое ожидание погрешности:
Л/ГДЯ =------------.	(2.56)
L J Ре(Рс+Р)
Здесь математическое ожидание погрешности выражено в единицах длин
интервала опроса То.
Для того, чтобы погрешность, обусловленная шумами, в среднем была мала,
можно потребовать, чтобы математическое ожидание было М [Д/] = 1,
при котором среднее значение шумовой составляющей соизмеримо с по-
грешностью дискретизации. При этом условии требование к вероятности
искажения может быть сформулировано в виде:
Р*Р2С.	(2.57)
Пример. Пусть Тн = 100 с, Fo = 100 Гц. Тогда рс=10'4 и вероятность ложного
срабатывания должна быть не более 10’8. Очевидно, что требования к веро-
ятности ошибочного приема сигнала при передаче сигнальных параметров
гораздо выше, чем при передаче функциональных параметров.
Так как функциональные и сигнальные параметры передаются одинаковы-
ми сигналами и нет смысла использовать разные сигналы, требуемая веро-
ятность ложного срабатывания р может быть обеспечена либо путем про-
стого их повторения, либо путем использования при передаче сигнальных
параметров помехоустойчивого кодирования.
61
Современная телеметрия в теории и на практике
Обычно повторение сигналов (рис. 2.13) имеет место, так как функция
включения передается дискретными отсчетами. В этом случае требуемая
достоверность может быть достигнута при обработке принятой информа-
ции: решение о срабатывании должно приниматься не по первому импуль-
су, а по к подряд появившимся импульсам. Следовательно, при вероятности
искажения одного импульса р:
рк*р2
Отсюда число повторений:
Igp
Пример. Пусть р = ПУ4, рс = НУ4. Тогда к = 2, то есть решение нужнЬ при-
нимать по двум и более подряд следующим импульсам. Это, естественно,
снижает разрешающую способность системы и требует соответствующего
повышения частоты опроса.
Решение о срабатывании можно принимать по к импульсам на интервале п
импульсов опроса. Такой мажоритарный способ обработки сигналов часто
кратко называют «по к из п». Он используется при большом числе к, когда
требуется обеспечить низкую вероятность ошибки, и отличается от просто-
го повторения сигналов меньшей вероятностью пропуска сигнала.
2.2.8.	Оценка шумовой погрешности в канале связи
Пусть информация о ТМП функционального типа передается по симмет-
ричному каналу простым (безызбыточным) двоичным п -разрядным
кодом. Действие помех в канале связи приводит к искажению отдельных
символов кодовой комбинации и в конечном итоге к искажению всей кодо-
вой комбинации.
Введем следующие обозначения:
•	р - вероятность искажения одиночного (элементарного) двоичного
символа. Для симметричного канала связи вероятность трансфор-
мации 1 в 0 равна вероятности трансформации 0 в 1, то есть
р = Ро(О = Pi(°);
•	1-р - вероятность правильного приема одиночного символа;
•	(1~Р)п ~ вероятность правильного приема п -разрядной кодовой ком-
бинации.
62
Глава 2. Теория телеметрии
Тогда вероятность Рош ошибочного приема «-разрядной кодовой комбина-
ции при условии, что элементы (символы) кода искажаются независимо
друг от друга, будет равна:
=1-(1-Р)''=1-(1-С> + С>2-СУ+,,, + 6:’/'). (2.59)
где С' =
п\
(n-iy.il
число сочетаний из п элементов по i.
При относительно низком уровне шумов в канале связи (пр«1) можно
считать, что одновременное искажение двух и более элементов кодовой
комбинации маловероятно, и рассматривать только одиночные ошибки,
связанные с ошибочной регистрацией лишь одного из п символов, то есть:
Риш= С„’Р = ”Р-	(2-60)
При этом одиночный сбой может произойти в любом месте кодовой комби-
нации. В то же время последствия от искажения младших и старших раз-
рядов кодовой комбинации получаются совершенно разные. Вероятность
искажения конкретного одиночного символа в кодовой комбинации будет
равна р( 1-р)"'1, причем эта вероятность для различных символов одинакова.
Если в кодовой комбинации искажен только один символ, соответствующий
младшему разряду кода, то погрешность проявляется в переходе на один
из соседних уровней квантования, то есть она равна Дш = ±2°d , где d -
шаг квантования.
При искажении только второго символа ошибка вызывает переход через
два уровня квантования, то есть Дш = ±2 d. Искажение третьего символа
приводит к погрешности Дш - ±22d и т.д., в соответствии с весами разря-
дов двоичного кода. Таким образом, будем считать, что погрешность, вы-
званная действием шумов в канале связи, с вероятностью /?(1 — рУ'-1 может
принимать только одно из следующих значений:
=+2dd-,±2d\+23d-,...-,±T^d\±r-'d.	(2.61)
Наибольшая погрешность, возникающая при искажении старшего разряда,
как следует из выражения (2.60), Aw = ±2”~ld. По абсолютной величине
она соответствует половине шкалы, поскольку 2"-1б7 = 2пd / 2 - L / 2.
Если считать распределение передаваемого параметра в шкале равно-
мерным, то число погрешностей со знаком плюс в выражении (2.60) рав-
но числу погрешностей со знаком минус. Следовательно, математическое
ожидание шумовой погрешности после усреднения по всем передаваемым
63
Современная телеметрия в теории и на практике
кодовым комбинациями Л/[ДШ] = О. С учетом этого дисперсия шумовой
погрешности определится из выражения:
ро-рГ р-
i-0	i-G
или:
<y>pd,f,*^pd1^- = (2-dy^.	(2.62)
/=о	4-1	3
Отсюда среднеквадратическая погрешность, приведенная к шкале:
<2'63)
Таким образом, дисперсия шумовой погрешности прямо пропорциональна
вероятности искажения символа р. При р = 3 • 10"4 погрешность передачи
Тш = 0,01, то есть составляет 1%. Следовательно, если в отличие от погреш-
ностей квантования считать шумовые погрешности аномальными и за их
допустимый уровень принять погрешность в 1%, то она будет соответство-
вать вероятности Ран = 3 • 10“4. Именно это значение вероятности аномаль-
ных погрешностей обычно принимается при сравнении различных ИТС.
Из формулы (2.62) также следует, что приведенная шумовая погрешность
не зависит от значности кода п. Это объясняется тем, что с увеличением
п среднеквадратическое отклонение шумовой погрешности <зш и шкала L
возрастают пропорционально 2п.
При обработке результатов измерений путем отбраковки аномальных
отсчетов, резко отличающихся от соседних, величина уш может быть умень-
шена в два или большее число раз.
Действительно, при отбраковке погрешностей, связанных с переходом че-
рез 2”’1 уровней квантования или через половину шкалы Z, из ряда (2.60) ис-
ключается последний член. В этом случае суммирование в формуле (2.61)
производится от 0 до п-2, что приводит к снижению дисперсии Q * в четыре
раза, а в два раза.
Можно заметить, что отбраковка погрешностей Дш >^, связанных с иска-
жением двух разрядов кода с наибольшим весом, обеспечивает уменьшение
величины уш в четыре раза. Очевидно, чем медленнее изменяется телемет-
рируемый параметр, тем большим можно принять интервал отбраковки
шумовых погрешностей. Искажения старших разрядов кода, как легко
заметить, вызывают самые значительные погрешности, имеющие харак-
тер импульсных помех. Специальные меры по защите старших разрядов
от помех могут быть реализованы путем помехоустойчивого кодирования.
64
Глава 2. Теория телеметрии
Формулы (2.61) - (2.63) были выведены в предположении равномерного
распределения параметра в шкале L и симметричности канала связи. Од-
нако при р<0,1, что всегда выполняется в телеметрии, указанные ограниче-
ния не оказывают существенного влияния на точность расчетов. Простое,
но весьма важное соотношение (2.63) широко используется при расчетах
циклических и адресных ИТС.
2.3.	КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
2.3.1.	Количество информации, получаемой при измерении
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Количество информации в любом сечении тракта РТС определяется разно-
стью начального и конечного незнания значения передаваемого сигнала.
Незнание количественно характеризуется энтропией. Начальная энтропия
определяется распределением параметра и погрешности, вносимой оце-
ниваемым участком тракта РТС. Закон распределения величины х лежит
в основе вычисления ее энтропии:
т
H(x) = -^Pi\og2Pi,	(2.64)
/=1
где Pt - вероятности появления х=хг
Если х является непрерывной переменной с плотностью вероятностей Р(х),
то характер х существенно не изменяется, если ввести дискретные хг х2,..., хи,
отстоящие друг от друга на равные расстояния Аг и имеющие вероятности
Р =Р(х^Дх. Замена будет тем более точной, чем меньше Дх. В соответствии
с формулой (3) энтропия:
Н(х) = - J Р(х) log2[P(x)]<& - log2 Дх,
где величина -log^kx зависит от выбранного интервала разбиения Дх. В техни-
ческих расчетах энтропия, как правило, используется для оценки количества
информации, определяемого разностью априорной и апостериорной энтропии.
При вычислении разности величина log2&x, содержащаяся в вычитаемом
и уменьшаемом, исчезает. Поэтому эту величину очень часто исключают
из рассмотрения, полагая:
Я(х) = - J Р(х) log2[P(x)]6&.	(2.65)
3 Зак 861
65
Современная телеметрия в теории и на практике
Очевидно влияние закона распределения на энтропию. Поэтому для каж-
дого закона распределения Р(х) нужно производить вычисление Н(х),
что в инженерной практике оказывается неудобным, а часто и ненужным.
В связи с этим находит применение вычисление энтропии по простым
формулам непосредственно через дисперсию случайной величины. Рас-
смотрим методику такого вычисления.
Однозначного соответствия между дисперсией случайной величины и ее
энтропией не существует. Это можно показать на следующем примере.
Рассмотрим две погрешности, одна из которых распределена равномерно
в интервале ±Д с дисперсией ст2,, а вторая - нормально с дисперсией ст2,.
Вычисленные по формуле (2.6^), энтропии этих погрешностей соответс-
твенно равны:
Нр = 1о^2Д = log2 2л/3а р,	(2.66)
H„=log2(G,(>/2id),	(2.67)
где I - основание натурального логарифма.
В этих формулах под знаком логарифма стоит произведение некоторого коэф-
фициента, определяемого видом закона распределения, и дисперсии случай-
ной величины. Это и является исходной предпосылкой для расчета энтропии:
Н=2Кру
где К - энтропийный коэффициент.
Сравнение энтропий нормального и равномерного распределения показы-
вает, что с информационной точки зрения они эквивалентны, если:
=а„>/2лГ.	(2.68)
Таким образом, нормально распределенная погрешность вносит в измерение
большую неопределенность, чем равномерно распределенная при той же дис-
персии. Мало того, можно сказать, что из всех возможных распределений
нормальное дает наибольшую энтропию. В применении к помехе потребу-
ется меньшая мощность, чем при любом другом распределении. С другой
стороны, для произвольно распределенной помехи характерно то, что лишь
часть ее мощности идет на эффективное дезинформирующее действие.
Значение энтропийного коэффициента равномерного и нормального рас-
2,07 . п
пределении отличается в--— = 1,2 раза. При вычислении энтропии этих
1,73
распределений разница составит log21,2 =0,26 дв. ед. Если значение энтропии
66
Глава 2. Теория телеметрии
(или информации) составляет значительную величину (десять и более бит),
to замена одного распределения другим к большой погрешности расчетов
не приводит. Эти рассуждения применимы также и в том случае, когда рас-
пределение погрешностей одномодальное и не имеет резкого выброса. На-
пример, экспоненциальное распределение имеет кэ=1,95.
На практике при анализе прохождения сигнала в РТС встречается зада-
ча суммирования большого числа погрешностей, возникающих в процес-
се передачи. Если порядок погрешностей, вносимых на различных этапах
передачи, одинаков, то распределение результирующей ошибки согласно
предельной теореме теории вероятности стремится к нормальному уже при
небольшом числе составляющих. В этом случае без дополнительного ана-
лиза с достаточной для практики точностью можно принимать к^=2-е-2,07.
Понятие энтропийного значения может использоваться не только приме-
нительно к погрешности, но и к любой случайной величине. Это положение
используется для расчета количества информации, получаемой в результа-
те измерения величины параметра.
Если в некотором сечении тракта РТС сигнал может быть представлен суммой
статистически независимых значений параметра X и погрешности е, то диспер-
сия распределения этого сигнала равна сумме ох1 2+ое2, где ох2 - дисперсия па-
раметра, а о2 - дисперсия погрешности. Начальная, или априорная, энтропия:
где К*шч - энтропийный коэффициент распределения сигнала и погрешности.
Конечная, или апостериорная, энтропия определяется распределением по-
грешности:
Нкм =log2(2A-we9Q£),
где Нкон - энтропийный коэффициент распределения погрешности. Коли-
чество информации, получаемое в результате измерения:
1 -	- Н,,, = log,	.	(2.69)
кЖо,Рг
Если к =к .то получаемое в результате измерения количество информации: •
нач кон’	J	г j	г	т г
1	п2
Z=-log2(l + -4-).	(2.70)
2	ОЕ
Формулы (2.69) и (2.70) позволяют рассчитать количество информации, по-
лучаемое в результате однократного измерения параметра. Если рассматри-
67
Современная телеметрия в теории и на практике
вать ряд последовательных измерений, то приведенные формулы оказыва-
ются неточными, так как не учитывают наличие корреляционных связей
между отсчетами. Эти связи уменьшают количество информации, содержа-
щейся в последующих отсчетах, так как начальная неопределенность су-
щественно уменьшается из-за того, что по предыдущим можно предсказать
последующие отсчеты.
Если коэффициент корреляции отсчетов р(Т), то по предшествующему
можно предсказать следующий отсчет с дисперсией предсказания:
которая определяет начальную энтропию. Поэтому количество информа-
ции, которое дает последующий коррелированный с предыдущим отсчет:
так как о «сг, то I ’ <1.
П	А	КОр
2.3.2.	Оценка количества информации о функциональных
ПАРАМЕТРАХ
Используя выводы предыдущего пункта, найдем формулы, удобные для
инженерных расчетов количества информации, которое содержится в од-
ном некоррелированном с соседними отсчете при различных законах рас-
пределения параметра и погрешностей.
Пример 1
Параметр имеет равномерное распределение в пределах шкалы L, а по-
грешность - нормальное с дисперсией ос2«ох2. Эти условия характерны
для расчета количества информации на выходе аналоговой РТС или анало-
гового элемента тракта передачи, например датчика.
Так как о 2«сг2, то априорное распределение суммы Х+с определяется в
основном параметром и является равномерным, а Кэиа= V3 . Принимая во
внимание, что
Д
К =2,07, а	=—г
2у/з
формулу (2.69) можно записать в виде:
68
Глава 2. Теория телеметрии
где у = — приведенная к шкале погрешность измерений. Если она выра-
жена в процентах, то:
I, =4,6-3,321gy.	(2.71)
В соответствии с этой формулой при погрешности измерения, равной 1%,
количество информации в одном отсчете равно 4,6 бит.
Пример 2
Параметр распределен равномерно в пределах шкалы L, и погрешность рас-
пределена равномерно в пределах интервала d. Эти условия характерны
для процесса квантования. Обычно d«L, поэтому априорное распределе-
ние суммы (Ан-e) близко к равномерному, следовательно, кпп=кко = ^3 .
Воспользовавшись формулой (2.69), получим:
L
/, Slog,= log; j.	(2.72)
2л/з
Этот результат показывает, что количество информации равно значности
двоичного кода п на выходе устройства квантования 1=п.
Пример 3
Предположим, что параметр и погрешность распределены нормально, при-
чем L«6ax. В этом случае к iai = кк и при условии ое2«ох2:
L
А = 1оё2—=1оё2
= -10g2(6v).
Нетрудно видеть, что в этом случае количество информации на отсчет
получается меньше, чем в рассмотренных выше ситуациях, если величи-
на у фиксированна.
2.3.3.	Оценка количества информации о сигнальных
ПАРАМЕТРАХ
Сигнальные параметры содержат информацию о дискретных во времени собы-
тиях: исполнении команд, включении и выключении узлов аппаратуры и т. п.
69
Современная телеметрия в теории и на практике
При этом передается лишь сам факт совершения события без его количествен-
ной характеристики. Для формирования первичных сигналов используются
контактные датчики, сигнал на выходе которых имеет вид функции включения.
В общем случае наблюдателя интересуют следующие данные:
•	номер сработавшего датчика;
•	время срабатывания;
•	направление срабатывания контактного датчика: с высокого уровня
на низкий или с низкого на высокий.
При известном числе контактных датчиков NKd информация о номере
содержит:
= log2 NKd бит.
Количество информации о времени зависит от погрешностей, вносимых
в сигнал при передаче. Начальная энтропия определяется априорным
распределением моментов срабатывания и вычисляется по формуле:
^=Н2(2/С_аиоч),
где Кнмч - энтропийный коэффициент; оиац - дисперсия априорного распре-
деления времени срабатывания КД.
Конечная энтропия определяется распределением ошибок, вносимых эле-
ментами системы при передаче сведений о моменте срабатывания. Если это
распределение характеризуется энтропийным коэффициентом кп п и дис-
персией оД то конечная энтропия:
^o„=bg2(2a„K„)-
Количество информации, получаемое в результате регистрации одного сра-
батывания:
1, =	log,
АИО „
п п
Если априорное распределение и распределение погрешностей одинаковы,
то к =к и
тач п
к °.
Часто предполагают априорное распределение равномерным на некото-
ром интервале Г, где ожидается срабатывание. Если при этом погрешность
70
Глава 2. Теория телеметрии
распределена равномерно на интервале Т, что имеет место, если учитывать
только погрешность из-за дискретизации, то количество информации, по-
лучаемое в результате регистрации одного срабатывания:

(2.73)
\ 1 о )
Эту формулу можно интерпретировать следующим образом. За время на-
блюдения получается F Г отсчетов. Для регистрации срабатывания необхо-
димо передать номер отсчета, на котором зафиксировано срабатывание.
Приведение формулы для оценки количества информации о времени сра-
батывания КД позволяет произвести расчеты в общем виде без учета спо-
собов передачи, опираясь только на знание погрешностей. В то же время
представляет интерес оценка количества информации для широко приме-
няемого способа кодирования, когда опрос КД происходит дискретно во
времени с интервалом То.
Разомкнутое положение соответствует отсутствию, а замкнутое - наличию
импульса. Учтем потери информации, обусловленные помехами в радиока-
нале. При этом канал считаем симметричным, то есть вероятности искаже-
ния нулей и единиц одинаковы: Ро(1)=Р1(0)=Р.
Априорное распределение вероятности срабатывания считаем равномерным:
Появление ошибки на интервале наблюдения приводит к фиксации ложно-
го срабатывания. Вероятность того, что произойдет это событие, определит-
ся вероятностью ошибки Р.
Найдем количество информации, содержащееся в одном отсчете. Априорная
энтропия определяется вероятностью срабатывания Рс, апостериорная -
вероятностью ошибки р:
Н,.аЧ = -Pc Н2 Рс - (1 - Pc ) l°g2 (1 - Рс )>
Нкон = -Р log2 рош - (1 - р ) log2 (1 - р ).
Количество информации о времени срабатывания контактного датчика,
содержащееся в одном отсчете, определяется разностью Ннт - Нкт\
Ц=-Рс^1Рс~^-Л ) 1оё2 0 “ А ) + Р 1оё2 Р + (1 - Р) log 2 О “ Р)
Количество информации за время наблюдения
71
Современная телеметрия в теории и на практике
Если интенсивность помех мала (р«рс), то справедливы приближенные
соотношения:
; =	(274)
р	FT
ГС	о н
I,=Log2FoTu.	(2.75)
Как следовало ожидать, формулы (7) и (10) совпадают.
Из формулы (8) следует, что для того, чтобы количество информации, по-
лучаемой о времени срабатывания КД, было положительным, необходимо,
чтобы р«ре
Для того, чтобы получить представление о требованиях к каналу, рассмот-
рим пример. Пусть время наблюдения Г = 1000 с, Т = 100 Гц. Тогда необ-
ходимо, чтобы р«рс = _	= 10'5. Следовательно, требования к верности
передачи отсчетов сигнальных параметров оказываются более жесткими,
чем функциональных.
Второй вывод, который можно сделать, заключается в том, что каждый
отсчет несет количество информации существенно меньше, чем один бит.
Так, для Т=1000 с, F = 100 Гц:
I, « Рс log2 -J- «= log210 = 1 6 • 1 О’4 бит.
Рс FOT„ 105
Очевидно, что при использовании рассмотренного способа кодирования
сигналов КД сообщения обладают чрезвычайно большой избыточнос-
тью: каждый отсчет может нести 1 бит, а при данном способе он содер-
жит 1,6-10'4 бит информации, то есть 99,84% информации оказывается
избыточной.
Количество информации о факте наступления события составляет одну
двоичную единицу. Оно определяется числом срабатываний за время на-
блюдения.
Таким образом, общее количество информации, получаемое при регист-
рации срабатывания КД, определяется сведениями о номере КД, времени
и направлении срабатывания:
I=INH+1.	(2.76)
Рассмотрим пример. Число параметров равно 1000, время наблюдения
составляет 100 с, и среднеквадратическая погрешность передачи времени
имеет порядок 10’I, 2 секунд.
72
Глава 2. Теория телеметрии
2.4.	АДАПТИВНЫЕ ПРОЦЕДУРЫ В ТЕЛЕМЕТРИИ
2.4.1.	Проблемы сжатия
Непрерывное развитие телеметрии в связи с расширением объемов испы-
таний разнообразной техники вызвало повышенный интерес к вопросам
сжатия объема передаваемых данных.
Сжатие данных приобретает все большее значение, так как телеметричес-
кие системы находят не только временное применение при создании како-
го-либо нового объекта, но и становятся постоянно действующей «нервной
системой» сложных автоматизированных комплексов, контроль состояния
которых и управление которыми требуют огромных и все возрастающих
потоков информации. При этом по крайней мере три стимула определяют
необходимость решения проблемы сжатия данных и применения устройств
«сжатия»:
1.	Уменьшение огромных потоков цифровых данных с целью раз-
грузки, упрощения и рационального использования каналов (в т. ч.
радиоканалов), сужение полосы пропускания каналов, сокращение
объемов памяти выходных регистрирующих устройств.
2.	Повышение оперативности в управлении сложными объектами
благодаря быстрому получению необходимой информации из сжа-
тых данных.
3.	Большая экономия, достигаемая при надлежащем сжатии данных,
за счет упрощения и уменьшения объемов регистрирующих уст-
ройств.
Это новое самостоятельное направление в радиотелеметрии вызвало к жиз-
ни рассмотрение и решение ряда математических, экономических и инже-
нерных проблем.
К числу математических проблем можно отнести разработку теории оп-
тимальных представлений поведения непрерывных процессов с учетом их
свойств и априорных данных; разработку и исследование алгоритмов, обес-
печивающих отбор существенных координат; составление вычислительных
программ и другие вопросы.
К числу экономических проблем следует отнести оценку экономического
эффекта от использования устройств сжатия данных по сравнению со средс-
твами, затраченными на другие способы передачи потоков данных, напри-
мер на прокладку широкополосных наземных каналов связи или доставку
73
Современная телеметрия в теории и на практике
данных в центры обработки с помощью каких-либо транспортных средств;
оценку стоимости обработки несжатых данных. В конечном итоге должно
быть показано, к какой экономии в стоимости передачи и обработки инфор-
мации может привести сжатие данных.
К числу инженерных относится широкий круг проблем, включающий
в себя установление области применения методов и алгоритмов сжатйя
данных для разных классов телеметрируемых процессов, моделирование те-
леметрической системы с целью установления конечного полезного эффек-
та от применения алгоритмов сжатия, разработку принципов построения
систем и создание устройств сжатия данных, удовлетворяющих требовани-
ям заданной точности воспроизведения, рациональным формам представ-
ления информации; вопросы достоверной передачи сжатой информации
и целый ря/| других задач.
Столь многогранные и большие проблемы объединяют интересы потребителей
информации - специалистов, занимающихся сбором, передачей и обработкой
данных, а также конструкторов радиотелеметрических систем с интересами
математиков, занимающихся разработкой методов и алгоритмов сжатия.
Для решения задач сжатия данных разработан ряд алгоритмов, основан-
ных на методах теории случайных функций, конструктивной теории фун-
кций и теории аппроксимации. В настоящее время уже нет сомнений в том,
что сжатие данных получило все права как одно из направлений развития
техники. Об этом свидетельствует то, что ряд методов сжатия данных про-
шел период критических исследований в лабораториях и получает вопло-
щение в аппаратуре.
В связи с разнообразием путей решения проблемы сжатия данных, большим
количеством методов и алгоритмов, отсутствием единства в терминологии
и выборе критериев оценки эффективности устройств сжатия необходи-
мо выработать общий подход к решению указанной задачи и на его основе
по-строить систему классификационных характеристических признаков, а
также провести корректное сравнение методов сжатия.
2.4.2.	Задачи и общая характеристика техники сжатия
ДАННЫХ В ТЕЛЕМЕТРИИ
При передаче данных цифровыми телеметрическими системами, к которым
относятся многие системы телеизмерений, под данными об измеряемом па-
раметре понимается совокупность величин, даже если параметр является
функцией непрерывного времени. В телеметрических системах с цикличес-
кой дискретизацией избыточность данных возникает даже при правильно
74
Глава 2. Теория телеметрии
выбранной частоте опроса датчиков вследствие того, что жесткий цикл ком-
мутации не учитывает «динамических» свойств контролируемых парамет-
ров, в результате чего при мало меняющихся во времени значениях пара-
метра частота опроса остается той же, что и на участках «высокой
динамичности», где она является необходимой.
Под динамичностью понимается изменение во времени (неинвариант-
ность поведения) тех свойств контролируемого параметра, которые по-
ложены в основу выбора вида представления поведения этого параметра.
В частном случае динамичность соответствует ее интуитивной интерпрета-
ции как скорости изменения параметра, то есть характеризуется производ-
ными функции, описывающей поведение параметра во времени.
Большая подробность описания параметра на участках с малой динамич-
ностью не всегда является необходимой, часто требуется подробное опи-
сание параметра на переходных участках. Устранение избыточных данных
приводит к восстановлению поведения параметра с одинаковой верностью
на всех участках, при этом появляется резерв информативности телеметри-
ческой системы, который может быть полезно израсходован.
Таким образом, целью сжатия данных является формирование мини-
мального количества величин, обеспечивающих представление в общем
случае непрерывного поведения параметра с заданной верностью. Совер-
шенно естественно, что при такой постановке задачи передаваемыми вели-
чинами необязательно должны быть значения параметра в точках опроса,
ибо при заданной верности и определенном виде исходного параметра ми-
нимизация может быть достигнута лишь путем соответствующего выбора
вида этих величин.
Последние в минимальном их количестве как раз и являются тем обобщен-
ным концентрированным математическим представлением, которое позво-
ляет количественно оценить информацию, содержащуюся в передаваемых
данных и являющуюся «полезной для потребителя».
При таком определении информация должна оцениваться количеством
измеренных величин и точностью их отсчета, ибо каждую передаваемую
величину можно рассматривать как «обобщенное» измерение параметра
в отличие от ординат параметра в точках опроса, которые являются изме-
рениями в обычном смысле.
Если представить информационный канал телеметрической системы
(для одного датчика) в виде модели, показанной на рис. 2.14, то рассмат-
риваемая задача сжатия данных относится к кодеру источника.
Источник (датчик) формирует электрический сигнал, являющийся мате-
риальным носителем сообщения об измеряемом физическом параметре,
75
Современная телеметрия в теории и на практике
которое содержит интересующую потребителя информацию. Сообщение
может быть передано телеметрической системой целиком или по частям.
В последнем случае сигнал датчика несет совокупность сообщений.
При рассмотрении функций кодера источника под «телеметрируемым сиг-
налом» будем понимать сигнал датчика, поскольку он является для кодера
первичным. В этой терминологии задача кодера источника заключается в
компактном дискретном представлении сообщений датчика, составляющих
«телеметрируемый параметр».
Задачей кодера канала связи является согласование сообщений, поступаю-
щих из кодера источника, с каналом связи с целью наиболее эффективного
использования последнего (синтез оптимальных кодов). В частности, в ко-
дере канала связи может быть введена определенная избыточность в пере-
даваемых сообщениях, определяемая статистическими характеристиками
сообщений и помех.
Декодер канала связи и декодер сообщений совершают преобразования,
обратные, соответственно, кодеру канала и кодеру источника.
В настоящей работе основное внимание уделено методам обработки сооб-
щений в кодере и декодере источника. Вопросы синтеза оптимальных кодов
представляют самостоятельную задачу и здесь не рассматриваются.
Приведенная модель телеметрической системы не исчерпывает возможных
вариантов применения устройства сжатия данных, роль которого в рассмот-
ренном выше случае играет кодер источника.
Устройство сжатия данных может быть поставлено во многих сечениях те-
леметрического тракта, в частности, перед регистрирующим устройством
или вычислительной машиной, осуществляющей обработку данных. В этих
случаях целью сжатия данных является сокращение объема ЗУ или умень-
шение времени вычислений.
Рис. 2.14. Модель информационного канала телеметрической системы
76
Глава 2. Теория телеметрии
Существуют и другие полезные варианты применения в телеметрии мате-
матического аппарата представления поведения телеметрируемых парамет-
ров, являющегося основой методов сжатия данных. Здесь имеется в виду
прежде всего возможность снижения частоты циклического опроса датчи-
ков при использовании на приемной стороне эффективных методов восста-
новления параметра как функции времени.
Не исключая этих возможностей, будем для определенности рассматривать
наиболее сложный случай применения устройства сжатия, соответствую-
щий рис. 2.14, а в дальнейшем вернемся к некоторым другим.
В наиболее общей формулировке под сжатием данных можно понимать
сокращение объема передаваемых сообщений до некоторого допустимо-
го минимума.
Постановка задачи и выбор метода сжатия данных зависят от того смыс-
ла, который вкладывается в понятие «полезная информация». Обычно при
телеизмерениях предметом исследования является поле измеряемых па-
раметров, поэтому конечным полезным для потребителя результатом теле-
измерений может являться информация, необходимая для анализа контро-
лируемого объекта. Тогда задача сжатия должна быть поставлена как задача
получения данных, достаточных для проведения такого анализа.
Методы сжатия, решающие эту задачу, должны предусматривать совмест-
ную обработку в одном устройстве сигналов всех датчиков, характеризую-
щих поле измеряемых параметров.
Такая обработка в принципе возможна, и она может обеспечить сущест-
венное сокращение объема передаваемых данных, поскольку между раз-
личными видами телеметрируемых на объектах параметров существуют
сильные взаимные зависимости, обусловленные тем, что эти параметры
характеризуют различные стороны одних и тех же физических процессов,
протекающих на телеметрируемом объекте. Однако для практической реа-
лизации методов сжатия данных о совокупности параметров необходимы
априорные данные о характере этих зависимостей, предполагающие знание
если не функциональных, то хотя бы статистических (корреляционных)
связей между измеряемыми параметрами.
В условиях, когда такими сведениями исследователь заранее не распо-
лагает (например, при испытаниях новых объектов или в тех случаях,
когда сами эти взаимосвязи являются предметом исследования), зада-
чей сжатия данных является получение и передача минимального коли-
чества данных о каждом параметре-(точнее, о параметре в каждой точке
измерения), что достигается путем независимой обработки сигналов от-
дельных датчиков.
77
Современная телеметрия в теории и на практике
2.4.3.	Информационное содержание задачи сжатия данных
Количество информации в телеметрическом сообщении
Рассмотрим случай, когда данные о каждом телеметрируемом процессе /(/)
передаются последовательностью сообщений, которые формируются неза-
висимо (автономно) от сообщений о других телеметрируемых процессах.
—>	—>
Последовательность сообщений	К должна позволить восстановить
процесс /* (/), воспроизводящий /(/) с требуемой потребителем вернЬстью.
Положим, что сообщение формируется в результате обработки (обо-
зрения) процесса /(/) на интервале времени сообщение - на по-
следующем интервале времени и т. д.
Формируемые сообщения могут быть различного вида: аналоговые, ана-
лого-дискретные и цифровые (дискретно-квантованные). Количество ин-
формации, которое содержится в каждом передаваемом сообщении I(V),
находится по известным соотношениям теории информации.
Рассмотрим сообщение в цифровой форме. Это сообщение может со-
держать несколько координат (чисел) К ,	. В современных систе-
мах такие сообщения формируются путем опроса датчиков и передачи ин-
формации о текущих значениях /(/) в моменты опроса. Тогда реализация
каждой координаты кР определяется значением f (t'j ) , где /j., j -й момент
опроса датчика на интервале j = 1,К , п.. Величина Vj^ может быть
представлена числом = 0,1, К , (М -1), которое определяется из усло-
вия квантования шкалы процесса /(/), например: Vjd < f{t^ р (Vj + 1)<7,
где d - Ш/М - шаг квантования; Ш -шкала процесса; М - число уров-
ней квантования.
В общем случае будем полагать, что различные V^'\ К2^К , координа-
ты сообщения могут иметь разное число уровней квантования, так что
Г70) = 0,1,К ,(Л/7 -1).
В дальнейшем, рассматривая сообщение Г(/) = V , для упрощения написа-
ния формул будем опускать индекс z.
Согласно общим соотношениям теории информации количество информа-
ции, содержащееся в сообщении V , равно:
Щ Л/,-1 мп-\ п
/Ю=-£к £ Sw*	'277>
Г]=0	Г„=0 J=1
78
Глава 2. Теория телеметрии
где /’(РрК Vn) - вероятность того, что передаваемые координаты со-
общения имеют некоторый определенный набор значений ^,К Vn;
Pj(Vj 1^1 Л Г„) ~ условная вероятность того, что j -я координата имеет
значение Vj при остальных координатах, равных Vn.
В частном случае, если все координаты статистически независимы, а их
уровни квантования равновероятны, то:
. п
дю=2>g,	.	(278)
/=1
Если при этом Л/, = М2 = К = Мп - М , то в случае, когда координа-
ты статистически независимы, вероятности передачи различных уровней
квантования неодинаковы: 1(У) =
у=1 /=о 7=1
Если статистические связи имеют место лишь между смежными ко-
ординатами, так что Р(Ку I РрК И„) = Р(У}J Vj_x), 7 =2,К ,77, a
I K,K ,Vn) = P(P^), то из (2.77) получим:
n Mj-' Mj-l
И=о	J=2 r,=o гу_,
Для характерного случая, когда передаются (с ошибкой квантования) зна-
чения телеметрируемого процесса в точках опроса f(t}) f(t}) К , для вос-
произведения на земле процесса f(t) с небольшой ошибкой период опроса
То = tj ~~tj_\ приходится выбирать небольшим.
При этом, как правило, имеют место сильные корреляционные связи между
несколькими подряд передаваемыми координатами сообщения. Как .видно,
даже в этом, казалось бы, простом случае для оценки величины /(Г) по-
требуется знание многомерных функций распределения /(/).
Знание /(И) полезно с той точки зрения, что позволяет оценить предельно
малую пропускную способность С канала связи и объем памяти запомина-
ющих устройств, обеспечивающие получение потребителем информации,
необходимой и достаточной для того, чтобы функция f (z) воспроизводи-
ла /(/) с требуемой верностью.
Так, в частности, если последовательность формируемых сообщений
-*(1) —*(2)
V 9V , К может быть представлена как марковский процесс, то мини-
мальная пропускная способность канала С определяется основной теоре-
мой Шеннона. Эта теорема утверждает, что последовательность сообщений
V 9V , К , формируемых на интервалах времени Т(1), Т(2),К , может
79
Современная телеметрия в теории и на практике
быть преобразована (закодирована) в новые сообщения, так что вся необ-
ходимая информация будет передана со сколь угодно малой вероятностью
ошибок при:
С = 7 + Е бит/с,	(2.79)
где £ - как угодно мало; I = I/T , а I - количество информации, содержа-
щееся в кодируемой последовательности сообщении v ,v , К .
Однако для реализации такого оптимального кодирования опять-таки по-
требуются достаточно глубокие знания статистических характеристик те-
леметрируемого процесса f (f).
Из сказанного следует, что при ограниченных априорных знаниях статис-
тических характеристик f(f) нельзя, по существу, ни оценить /(И), ни ис-
пользовать эту оценку, если бы все-таки она как-то была получена.
Поэтому при решении практических задач формирования оптимальных
сообщений и сжатия данных представляется целесообразным оперировать
не оценками количества информации , а более простой характеристи-
кой - объемом сообщений (данных) J(V).
Для случая цифровой передачи объем сообщений определим по формуле,
идентичной (2.78):
J(n = £logM,.,	(2.80)
и измерять его будем в битах.
Таким образом, объем сообщения численно равен количеству информации,
содержащемуся в сообщении, при условии, что все координаты этого сообще-
ния статистически независимы, а их уровни квантования равновероятны.
Такое определение объема сообщений оправдывается следующими сообра-
жениями.
1.	Каналы связи и ЗУ на практике строятся так, что все сформирован-
ные кодовые комбинации (слова) передаются и регистрируются как
равноправные, то есть как равновероятные.
2.	Четко разделяются функции устройств формирования сообщений
каналов связи или ЗУ. Устройства формирования сообщений (в т. ч.
и устройства сжатия) должны, учитывая всю априорную и текущую
информацию о телеметрируемом процессе f(t), а также запросы
потребителя, сформировать сообщения, чтобы при минимальном
объеме их {J была передана информация, необходимая
80
Глава 2. Теория телеметрии
для получения с требуемой верностью. Каналы связи и ЗУ имеют за-
дачей лишь передачу или запоминание сообщений, с которыми могут
обращаться как с равноправными.
3.	Сравнительная оценка эффективности различных алгоритмов ра-
боты устройств формирования сообщений может вестись по величине
объема сообщений, для расчета которой не требуется труднодоступ-
ной оценки количества содержащейся в них информации.
4.	Если известны статистические характеристики /(/), то в принци-
пе могут быть сформированы сообщения, у которых J = I, то есть
шенноновское количество информации в сообщении дает оценку
нижней грани его объема. Однако, зная, что такая оценка существует,
мы не всегда можем и не всегда обязаны ее отыскивать.
Следует отметить, что на практике так часто и поступают, то есть оценивают
не величину / , а величину J, но при этом величину I называют количест-
вом информации в сообщении. Такое неразличение понятий об объеме
сообщений J и количестве содержащейся в них шенноновской информа-
ции I ведет к ряду неправильных истолкований и путанице в терминологии.
Рассмотрим теперь случай формирования аналого-дискретных сообщений,
когда координаты , К2,К , Vn - случайные величины, которые могут при-
нимать непрерывное множество (континиум) значений в пределах некоторой
шкалы. Так, для характерного случая передачи текущих значений f (/) в точ-
ках опроса будет V} = f(tx), V2 = f(t2), К , Vn = f (tn ).
Объем аналого-дискретных сообщений
Теория информации указывает, что точная передача значений Г„Г2,К
невозможна, т. к. для этого потребуется иметь бесконечно большие
пропускную способность канала С и емкость запоминающих устройств.
К счастью, в этом нет никакой нужды, так как уже первичные преобразова-
тели (датчики) неизбежно вносят ошибки, и нет смысла требовать, чтобы
ошибки передачи и регистрации совсем отсутствовали; достаточно, чтобы
они были невелики.
Минимальное количество информации, которое должно быть передано
аналого-дискретными сообщениями, определяется е - энтропией Колмо-
горова:
ЯЕ = inf J(Q, V)	(2.81)
при р (F*, F) ~ р^„, (0(01 F) - var, где inf означает вычисление нижней
81
Современная телеметрия в теории и на практике
грани; I(Qy V) - количество шенноновской информации, содержащейся
в принятом с искажениями сообщении Q о переданном сообщении И;
p(F , F) - некоторый показатель верности воспроизведения множеством
реализаций f (7), восстанавливаемых на приемной стороне множества
реализаций f*(t} телеметрируемого процесса; раол - допустимое значе-
ние показателя верности; С0(£?'| К) - условная плотность распределений
вероятности Q при известных V.
Вычисление I(Q, V) в (2.81) представляет собой задачу еще более слож-
ную, чем в случае квантованных координат V., Для оценки I(Q, V) здесь
также потребуются глубокие знания вероятностных характеристик f (t), и,
наконец, без знания этих характеристик мы не можем такой оценкой вос-
пользоваться, так как эти характеристики нужны для отыскания алгорит-
мов оптимального кодирования.
Таким образом, и при формировании аналого-дискретных сообщений для
решения задач формирования оптимальных сообщений (сжатия) следует
ориентироваться на более простую характеристику - объем сообщений.
Объем аналого-дискретных сообщений может быть определен по формуле,
идентичной (2.80), если в ней число Му - заменить некоторым эквивалент-
ным числом уровней квантования Мj3Ke.
Искажение координат аналого-дискретного сообщения характеризует-
ся обычно среднеквадратичной погрешностью у., приведенной к шкале.
Известно также, что среднеквадратичная погрешность квантования, приве-
денная к шкале, равна:
7,... =	.	(2.82)
где оскв - коэффициент, зависящий от распределения погрешностей квантования.
Для равномерного распределения акв = 2л/3, а для треугольного ~(Хкв = \[б .
Приравнивая yjK(t -уу , получаем эквивалентное число уровней квантования
м,,. = 1/а„г,.	(2.83)
Следует, однако, отметить, что если объем сообщения и его длительность Т
полностью определяют требования к цифровой радиолинии (так как очень
прос то реализовать устройства перекодирования сообщений), то для линии
с передачей аналого-дискретных сообщений (например, с модуляциями
ФИМ-AM, АИМ-ЧМ) нужно знать конкретные значения числа координат
п и допустимых среднеквадратичных погрешностей - урК ,ум. Обычно
82
Глава 2. Теория телеметрии
такие радиолинии строятся так, что У] = у2 = К = уп, тогда объем сообще-
ния может характеризоваться двумя цифрами - п, у :
-ММ)-
(2.84)
Объем сообщений и количество передаваемой информации
В литературе встречаются следующие термины:
•	устранение избыточности информации,
•	уменьшение избыточности информации,
•	сжатие информации,
•	уменьшение избыточности сообщений,
•	сжатие сообщений,
•	сжатие данных и др.
Следует прежде всего отметить, что более точными являются термины, трак-
тующие об устранении избыточности или сжатии сообщений или данных.
-*(1)	—(2)
Рассмотрим два сообщения V и V с квантованными ординатами
rj(l),K И„(1)и Pj(2),K И„(2). Допустим, что п2 < nv число уровней квантования
у всех координат одинаково, то есть = К = М,2) = К = М<2) = М
и 7’(|) = Г(2). Пусть в сообщении V координаты сильно коррелирован-
-•(2)
ны, а в К - не коррелированны. Тогда возможно положение, когда
—(2)	—(1)
КУ )>цу ).
В том, что это так, легко убедиться из формул, приведенных выше. Оче-
iz(l) <	л
видно, что передача V больше загрузит обычный канал связи, чем пере-
—(2)	—(2)	->(1)
дача V . Допустим, что I(V ) = I(V ) , тогда процесс преобразования
—(I)	—(2)
V —>V нужно рассматривать как сжатие сообщения, позволяющее раз-
грузить канал связи и ЗУ, в то же время количество передаваемой информа-
ции сохраняется (информация не сжимается).
В качестве простого примера рассмотрим случай, когда априори известно,
что f (/) - непрерывная кусочно-линейная функция с изменением (скачка-
ми) первой производной в моменты времени tx, t2, К .
Очевидно, что для восстановления f(t) достаточно знания ее текущих зна-
чений /(^) f(t2) К . Текущие значения f(t) в другие.моменты времени
83
Современная телеметрия в теории и на практике
либо вовсе не несут информации об f (/), либо несут очень мало инфор-
мации, поскольку позволяют при соответствующей обработке уменьшить
влияние ошибок, вносимых системой при передаче /(/]) /(/2) К .
Итак, очень важное для разгрузки радиолинии и ЗУ сильное уменьшение
объема сообщений может быть совсем не связано с уменьшением количест-
ва передаваемой информации либо может сопровождаться незначительным
уменьшением этого количества.
По этим соображениям мы считаем предпочтительнее использовать термин
«сжатие сообщений» (данных).
Сжатие объема сообщений
Важной задачей является именно сжатие объема передаваемых сообщений
при обеспечении передачи (с учетом вносимых системой ошибок) всей
необходимой потребителю информации, то есть чтобы при данном объеме
сообщений передавалось максимальное количество информации
Интересно заметить, что К. Шеннон в своей основополагающей работе «Ма-
тематическая теория связи» применяет термины «избыточность английско-
го текста» или «избыточность языка» и нигде не говорит об избыточности
или сжатии информации.
Избыточность сообщений (данных), по Шеннону, определяется формулой:
R = (1-1^1,,	(2.85)
где I — количество информации, фактически передаваемое используемым
алфавитом (набором) сообщений; /0 - максимально возможное количес-
тво информации, которое может быть передано используемым алфавитом
сообщений.
Таким образом, с точки зрения теории информации задача сжатия данных
заключается в выборе таких алгоритмов формирования сообщений, при
которых содержащаяся избыточность была бы минимальной.
Учитывая введенную ранее характеристику - объем сообщения, мы можем
сжатие данных формулировать как задачу формирования сообщений с
минимальным объемом при обеспечении требуемой верности f (/).
Верность f\t) в общем случае может характеризоваться несколькими
показателями, например среднеквадратичной ошибкой, вероятностью
аномальных ошибок и др.
84
Глава 2. Теория телеметрии
В таком случае показатель верности будет.представлен несколькими числа-
ми и может рассматриваться как вектор p(F F) .
Итак, задача сжатия сообщения математически сводится к выполнению
условия:
</ = 4in	(2-86)
при p(F‘, F)=pdon.
Если все координаты сообщения имеют идентичные характеристики - чис-
ло уровней квантования М или допустимую среднюю квадратичную ошиб-
ку, то условие (2.86) можно записать в форме:
п = птт	(2.87)
при р (F *, F) = рЭол; Sj = 5j = К =	= 5 = const, где 5, - некоторая ха-
рактеристика ошибки, вносимой в координату , определяющая загрузку
канала связи или ЗУ (5у = или	) при передаче или запомина-
нии Vj.
2.4.4. Математическое содержание задачи сжатия данных
Постановка задачи
Решение задачи сжатия данных существенным образом зависит от цели вы-
полняемых измерений. Здесь ниже рассмотрим характерный случай, когда
целью измерений является получение информации, позволяющей восста-
новить функцию f (/) , описывающую поведение телеметрируемого пара-
метра во времени. Вследствие ошибок, вносимых системой, и ограниченной
пропускной способности линии передачи, точное восстановление поведения
телеметрируемого параметра принципиально невозможно, поэтому восста-
новленная функция f (/) может лишь с некоторой верностью описывать
истинную функцию /(/). Сжатие данных (представление поведения пара-
метра), позволяющее получить /(/) с требуемой верностью, будем назы-
вать квазиобратимым. Реализация квазиобратимого сжатия требует выбора
двух операторов:
1. Представления непрерывного сообщения /(/) на интервале Г со-
вокупностью чисел V19K Vn, называемых координатами сообщения.
Если ввести вектор:
v= м
85
Современная телеметрия в теории и на практике
ш
математически эта операция может быть записана в форме V = Af(t),
где А - оператор представления.
2. Получения восстановленной функции (оценки) f\t) по коор-
динатам сообщения Vn. Эту операцию представим в форме
f\t)-BV = В(^,К Vff), где В - оператор восстановления (обра-
ботки). Если функция /(/) является элементом некоторого метриче-
ского пространства Р, то есть /(/) G Р, то обычно восстановленная
функция f (/) вычисляется на том же интервале времени Т, и в об-
щем случае она принадлежит метрическому пространству Ф , то есть
f (/) е Ф, которое является метрическим расширением пространс-
тва Р, то есть Ф d Р.
Задачей восстановления (выбора оператора В ) является обеспечение наи-
лучшей верности f (/) при данных координатах. Верность f*(t) харак-
теризуется расстоянием между f (/) и /(/) в метрике пространства Р.
Обозначим это расстояние р(/, /*).
Задачей сжатия является выбор такого представления (способа формиро-
вания координат), который обеспечивает получение требуемой верности ее
восстановления /(/) при минимальном количестве координат /7min с вы-
бранной точностью их отсчета.
Эта задача может решаться при заранее выбранном операторе восстановле-
ния В , однако наиболее эффективные решения могут быть получены лишь
при одновременном, согласованном выборе как оператора А , так и опера-
тора В.
Например, в современных системах, как правило, в качестве координат
И,, К Vn используются мгновенные значения телеметрируемого параметра
/(О»/(^2)’К ,/(О» отбираемые через постоянные интервалы времени
(период опроса То ): То = /2 -= t3 -12 = К = tm -	.
Выбор оператора восстановления в этом случае сводится к выбору на-
иболее эффективных способов интерполяции функции по ее дискретным
значениям в равноотстоящих узлах. Возможности сжатия объема сообще-
ния при этом лимитируются эффективностью способа интерполяции, то
есть получением заданной допустимой интерполяционной ошибки при воз-
можно большем периоде опроса.
Задача выбора операторов представления А и восстановления В может
решаться лишь при наличии некоторых априорных сведений о телеметри-
руемом параметре. Характер и объем этих сведений определяет возможный
выбор метрики пространства параметров Р и класс операторов А и В.
86
Глава 2. Теория телеметрии
В настоящее время получены решения этих задач для двух видов про-
странств:
• Для пространства С, которое охватывает совокупность всех не-
прерывных функций f(t), определенных на ограниченном замкну-
том множестве С евклидова пространства; метрика определена как
Р(/> /*) = max I /(0 “/*(01. гДе f\t), е С . Этот показатель
/еГ
верности принято называть показателем равномерного приближе-
ния. Метрика пространства С может использоваться, если известны
априорные оценки пределов изменения телеметрируемого парамет-
ра f(t) и его производных (одной, двух или более). Эти показатели
принято называть конструктивными параметрами функции /(/).
При этом априори принимается, что все возможные реализации /(/)
с известными конструктивными показателями равновероятны.
Для гильбертовых пространств, элементами которых являются реа-
лизации f(t) телеметрируемых процессов (пространство реализа-
ций) и множество F(t) реализаций (пространство случайных функ-
ций), показателями верности являются среднеквадратичные
ошибки на интервале. Так, в частности, в пространстве реализа-
ций такой показатель верности может характеризоваться форму-
т
Пространство с такой метрикой называют L2. В пространстве множеств
показатель верности вычисляется как математическое ожидание в про-
странстве реализаций.
Метрика гильбертовых пространств может использоваться, когда априо-
ри известна вторая моментная функция телеметрируемого процесса. При
решении задач в указанных двух видах пространств и при названных выше
составах априорных данных операторы представления и обработки могут
отыскиваться лишь в классе линейных, т. к. для нахождения этих операто-
ров в более широком классе (нелинейных) указанных априорных данных
недостаточно.
Следует отметить, что линейные операторы представления и восстановле-
ния являются наиболее благоприятными и с точки зрения аппаратурной
реализации, ибо, как правило, аппаратура с нелинейными преобразова-
ниями труднее в реализации и зачастую вносит большие ошибки.
В силу этих обстоятельств ниже рассматриваются лишь методы сжатия
с использованием линейных операторов представления и восстановления
в линейных пространствах С и Z?.
87
Современная телеметрия в теории и на практике
Восстановление сообщения в линейном пространстве Ф с помощью линей-
ного оператора может быть записано в форме:
Г=2?л(').	<2-88>
к=4
где фД/), к = 1, К , п — совокупность линейно-независимых элементов из
Ф; Ук - координаты сообщения.
Из данной записи следует, что задача выбора операторов представления
и восстановления сводится к выбору координат У19К Уп и совокупности
линейно-независимых функций фД/). Следовательно, задача сжатия дан-
ных в соответствии с (2.87) сводится к обеспечению условия п = wmin при
Р СЛ f ) - £ > где минимизация должна производиться по всем возможным
способам формирования координат и всем возможным выборам системы
базисных функций.
Базис {ф*} и координаты {X}, являющиеся решением сформулированной
задачи, если оно существует, иногда называют оптимальными (для выбран-
ного пространства Ф представления сообщений).
Вйбор базиса производится заранее, до проведения эксперимента, в кото-
ром должно быть получено сообщение f (/) на основании априорных дан-
ных о функции f(t), позволяющих конкретизировать вид пространства Р .
Анализируя требования, которым должна удовлетворять система базисных
функций, легко прийти к выводу, что не существует единой универсальной
системы для всех классов функций, описывающих поведение телеметри-
руемых параметров, и различных априорных сведений о них. Тем не менее
отдельные требования могут быть сгруппированы так, что с практической
точки зрения может быть найдено довольно удачное решение поставленной
задачи. Обычно ставится задача выбора такого базиса разложения, который
обеспечивает для функций определенного класса в среднем минимальное
число координат.
На практике в качестве {ф*} часто берутся, например, последователь-
ность 1,/,/2,/3,К алгебраических полиномов, последовательность три-
гонометрических функций 1, sin/, cos/, sin2/, К или последовательность
показательных функций 1, еа'1, еа2‘ , К , где а, - некоторая числовая после-
довательность. При некоторых априорных данных можно указать на опти-
мальные базисные функции.
Параметры алгоритмов сжатия
Кроме выбора рационального оператора квазиобратимых преобразова-
ний, приходится решать ряд других вопросов, существенно влияющих
88
Глава 2. Теория телеметрии
на построение алгоритма сжатия. К числу таких вопросов можно отнести
выявление возможностей:
•	автоматического определения интервала аппроксимации;
•	адаптации аппроксимирующего полинома к поведению контроли-
руемого процесса в темпе поступления данных о нем;
•	отбора существенных координат в реальном масштабе времени.
Остановимся па рассмотрении первого вопроса более подробно.
Как уже говорилось, основная задача устройства сжатия заключается в пе-
редаче необходимого количества информации обо всем телеметрируемом
параметре на интервале Тн.
Сформировать данные обо всем параметре можно различными путями.
Например, можно рассматривать телеметрируемый параметр в течение вре-
мени Ти как одно сообщение и вычислять координаты такого сообщения,
пользуясь ортогональным каноническим разложением или каким-либо
другим методом.
Можно разбить интервал Тн на равные отрезки длиной Т каждый и вы-
числить координаты каждого сообщения в отдельности. В ряде случаев
величина задержки в получении данных составляет важный фактор и не
должна превышать допустимого значения. Задержка на время Тн недопус-
тима, однако, даже не принимая во внимание недопустимость временной
задержки в первом случае и неопределенность длины Т отдельного сооб-
щения во втором случае, поставим вопрос: какой из возможных способов
формирования координат обеспечит их минимальное количество для всего
контролируемого параметра на всем интервале наблюдения Тн ?
На первый взгляд кажется, что ответ на этот вопрос является тривиальным:
учитывая известное положение теории информации, можно ожидать, что ко-
личество координат будет минимальным, если рассматривать весь параметр
как одно сообщение. Это верно, но такой способ формирования сообщения
может потребовать недопустимо большого времени задержки, равного всему
времени наблюдения, а также может оказаться сложным в аппаратурной ре-
ализации.
Следует отметить, что для минимизации объема сообщений вплоть до шен-
ноновского предела не требуется обязательная задержка на все время на-
блюдения. Это положение известно также из теории информации, которая
утверждает, что задержка является достаточным условием для устранения
избыточности, но не указывает на необходимость этого условия.
Более того, имеется ряд примеров, когда избыточность источника сообще-
ния полностью устраняется без существенной задержки. Применительно
89
Современная телеметрия в теории и на практике
к рассматриваемому случаю представления телеметрируемого процесса
вопрос о выборе длительности сообщения и, следовательно, о его задерж-
ке решается различно для стационарных и нестационарных процессов.
Для стационарных процессов всегда может быть заранее указана достаточ-
но большая длительность сообщения, при которой получается почти пре-
дельно достижимое сжатие его объема.
Длительность всех сообщений на интервале наблюдения при этом одина-
кова, и расположение границ сообщений во времени значения не имеет.
Вследствие этого для стационарных процессов всегда могут быть найде-
ны операторы представления с заранее заданным алгоритмом регулярного
формирования координат, число которых не зависит от конкретной реали-
зации процесса (регулярные, или неадаптивные алгоритмы). Эти алгорит-
мы в данном случае способны обеспечить эффективное сжатие.
В случае нестационарных процессов длительности сообщений, обеспечива-
ющие эффективное сжатие при выбранных способах формирования коор-
динат и восстановления поведения телеметрируемого параметра, меняются
в течение времени наблюдения.
Существенное значение имеет также расположение границ сообщений.
Вследствие этого для нестационарных процессов эффективное сжатие мо-
жет быть достигнуто, как правило, лишь применением адаптивных мето-
дов формирования координат, при которых разбиение времени наблюде-
ния на отдельные сообщения и число формируемых координат в каждом
сообщении автоматически согласуются с характером текущей реализации
телеметрируемого параметра.
Адаптивные алгоритмы сжатия
Адаптивные алгоритмы позволяют получать эффективное сжатие без
большой задержки. Например, если параметр ведет себя, как показано на
рис. 2.15, то легко видеть, что с помощью аппроксимации полиномом нуле-
вой степени на каждом из интервалов [О, /J, [0, /2], К этот параметр с лю-
бой точностью можно представить с помощью семи координат на всем ин-
тервале наблюдения Тн. Попытка же представить его одним полиномом на
всем интервале [O.rj приведет к необходимости построения полинома со
степенью, значительно выше седьмой.
При регулярном представлении с восстановлением полиномами нулевой
степени потребуется иметь период опроса, много меньший минимального
интервала времени, на котором /(/) = const.
90
Глава 2. Теория телеметрии
Рис. 2.15. Пример поведения телеметрируемого параметра
Ясно, что такое представление приведет к большой избыточности. Таким об-
разом, представление рассматриваемого параметра на неравных интервалах
[О,[О,/2],К является наиболее эффективным. Однако разбиение време-
ни наблюдения на сообщения с длительностями , /2 — , /3 - /2, К ,tn- tn_}
и с расположением границ в указанные моменты времени требует адапта-
ции к текущей реализации.
Следовательно, решение задачи сжатия данных, кроме выбора способа фор-
мирования координат и оптимального базиса, содержит еще нахождение
процедуры такого способа разбиения интервала наблюдения на отдельные
сообщения, при котором общее число координат было бы минимальным
по сравнению с другими возможными разбиениями. Эта процедура разбие-
ния должна носить адаптивный характер. Естественно, что длительности
сообщений при этом не должны превышать допустимой задержки.
Вопросы адаптации аппроксимирующего полинома и отбора существенных
координат в реальном масштабе времени рассматриваются в п. 4.2.5.
2.4.5. Классификация и основные определения теории
И ТЕХНИКИ СЖАТИЯ ДАННЫХ
Необратимые и квазиобратимые преобразования
Всякая классификация обычно связана с попыткой привести в систему
разрозненные сведения, обобщить понятия, термины и определения, ко-
торыми пользуются специалисты, занятые исследованием какого-либо но-
вого направления в технических или естественных науках. Исследователь
пытается найти общие и отличительные устойчивые признаки, позволяю-
щие ему построить прочный фундамент, а затем и все здание.
91
Современная телеметрия в теории и на практике
Далеко не всегда удается найти такие устойчивые признаки сразу. Обычно
процесс поиска признаков заканчивается в ту пору, когда накоплен боль-
шой опыт или найдены такие характерные черты, которые обеспечивают
не только устойчивость классов, групп, методов и т. д., но и способствуют
открытиям или указывают направления, в которых нужно проводить иссле-
дования, чтобы заполнить все белые пятна в классификационной таблице.
Такой законченной классификации методов и алгоритмов сжатия данных
телеизмерений нет ни в отечественной, ни в зарубежной литературе, извест-
ной авторам.
При анализе различных методов преобразования контролируемых процес-
сов и методов обработки результатов эксперимента по данным телеизмере-
ний можно выделить два класса преобразований:
1. Необратимые преобразования, в результате которых можно восста-
новить контролируемый процесс как функцию времени, но которые
обеспечивают получение необходимых данных в виде конечного
полезного результата (например, интегральная или дифференци-
альная кривая распределения плотности вероятности, спектраль-
ная плотность мощности, корреляционная функция и т. д.).
2. Квазиобратимые преобразования, позволяющие представить кон-
тролируемый процесс меньшим числом координат, но достаточным
для воспроизведения параметра как функции времени с заданной
точностью.
Необратимые преобразования в ряде случаев могут дать весьма высокие
коэффициенты сжатия, поэтому их надо всемерно внедрять в практи-
ку радиотелеметрии, однако в настоящее время для анализа поведения
отдельных систем и элементов конструкции телеметрируемых объектов
требуется в результате измерений иметь оценки функций, описывающих
изменение величин параметров во времени. Такие оценки могут быть по-
лучены лишь с помощью квазиобратимых преобразований. Следует ожи-
дать, что эти преобразования и в дальнейшем будут занимать большое мес-
то в телеметрии.
Чтобы аргументировать высказанные соображения, рассмотрим пример.
Допустим, что отрабатывается какой-либо сложный объект, состоящий
из большого числа агрегатов, узлов, блоков, систем. Назначается объем
контролируемых параметров и проводятся измерения, по которым разра-
ботчики ведут анализ функционирования систем и объекта в целом.
У каждого исследователя своя цель, и, руководствуясь этой целью, каж-
дый из одних и тех же данных отбирает нужную ему информацию. На-
пример, при анализе скрытых периодичностей исследователь отбирает
92
Глава 2. Теория телеметрии
данные на таком интервале времени протекания процесса, для которого
справедлив принцип «замороженных коэффициентов». Затем произво-
дит преобразования, которые позволяют ему извлечь только информацию
о значениях амплитуды, частоты, фазы и декремента затуханий интере-
сующих его колебаний. Другой исследователь из тех же данных извлекает
информацию о временных функциях связи и устанавливает таким обра-
зом связь и влияние процессов друг на друга или извлекает информацию
о статистических характеристиках и т. п.
Следует заметить, что при использовании квазиобратимых преобразований
нельзя не учитывать цели измерения. Более того, только зная задачи изме-
рений, то есть операции, которые будут выполняться с оценками поведения
параметра, можно правильно обосновать требования к показателю вернос-
ти оценок и даже к виду представления.
Таким образом, квазиобратимые преобразования при определенных крите-
риях верности приближения позволяют, с одной стороны, приводить дан-
ные к более компактной форме, чем это делается в настоящее время, с дру-
гой -извлекать из полученных данных путем их последующей обработки ту
информацию, которая представляет ценность для потребителя.
Детальная классификация методов сжатия
В литературе предлагаются различные способы классификаций применяемых
методов сжатия данных. Не останавливаясь на разборе этих способов, рас-
смотрим классификацию, наиболее удобную с точки зрения уяснения пред-
мета рассмотрения в данной книге. Эта классификация приведена на рис. 2.16.
В зависимости от целей измерений сжатие может быть необратимое (целевая
обработка) и квазиобратимое. Смысл этих терминов пояснен выше.
На рис. 2.16 показаны основные способы решения задачи квазиобратимого
сжатия: учет математического ожидания и шкалы параметра; минимизация
числа координат сообщения; уменьшение объема каждой ординаты.
Рис. 2.16. Классификация методов сжатия данных
93
Современная телеметрия в теории и на практике
Учет математического ожидания и шкалы процесса широко используется
на практике и, по существу, является простейшим мероприятием, способс-
твующим сжатию данных. Если априори известно математическое ожида-
ние параметра, то, очевидно, нет смысла передавать информацию о нем,
поскольку оно может быть восстановлено в месте приема по априорным
сведениям, то есть нет смысла передавать центрированное значение пара-
метра: f (/) - F(t) - mF (/), где mF (t) - математическое ожидание случай-
ной функции F(t).
Можно показать, что объем сообщения о f(t), как правило, будет меньше,
чем f (t). Естественно, что на практике может быть известно не точное значе-
ние mF (/), а лишь его оценка rnF (/). Кроме того, учет изменения во времени
rnF (t) требует усложнения аппаратуры, поэтому часто на практике использу-
ется среднее значение оценки тг (/) = const.
Шкалой параметра назовем, как обычно, величину, равную:
fill ~ /max - /min ’	(2.89)
где /max ’ /min ~ соответственно максимальное и минимальное возможные
значения параметра для всего множества реализаций.
Учет шкалы параметра должен заключаться в согласовании ее со шкалой
канала измерительной системы 1ПК . Наилучшее согласование достигается
при соблюдении равенства /ш = Шк.
Если /ш > Шк , то имеют место недопустимые ухудшения оценки f\t)
на приемной стороне. При /ш < Шк для обеспечения заданной верности
оценки /* (/) потребуется уменьшение ошибки, вносимой каналом и при-
веденной к его шкале, что вызовет увеличение объема сообщения.
Уменьшение числа координат сообщений достигается различными метода-
ми, рассматриваемыми ниже. Сокращение объема каждой координаты до-
стигается тремя путями: квантованием шкалы координат с неравномерным
шагом, статистическим кодированием уровней квантования и нелинейным
преобразованием значений координат.
Для проведения этих операций требуется априорная оценка плотности
распределения вероятностей значений каждой координаты. В смысле по-
тенциально достижимых значений коэффициента сжатия эти мероприятия
равноценны и различаются лишь аппаратурной реализацией. Следует от-
метить, что задача минимизации объема сообщений не всегда может быть
разделена на уменьшение числа координат сообщения и объема каждой
координаты.
94
Глава 2. Теория телеметрии
Такое разделение возможно при условии, если способ представления со-
общений выбирается для системы без шумов с учетом лишь координатной
ошибки (ошибки представления), а ошибки, вносимые шумами системы
(помехи, аппаратурные ошибки и др.), учитываются отдельно. При вы-
боре же наиболее эффективного представления с учетом шумов системы
оказывается необходимым минимизировать не только число координат
и объем каждой координаты, но и выбирать способ формирования этого
числа координат для минимизации объема сообщений в целом.
В настоящей книге рассматриваются эффективные методы сжатия сообще-
ний с учетом того, что они выбираются по допустимой ошибке представле-
ния, а ошибки, вносимые шумами системы, учитываются отдельно.
Поскольку предметом рассмотрения данной книги является минимизация
числа координат сообщения, в дальнейшем под квазиобратимым сжатием
понимается решение именно этой задачи.
Решение задачи сжатия сводится к выбору двух операторов: пред-
ставления (А) и обработки (5). При заданном показателе верности
последний, в свою очередь, определяет вид пространства, элементами
которого являются точные значения и оценки функций, описывающих
поведение телеметрируемого параметра.
Оператор представления может характеризоваться способами формиро-
вания координат, основными из которых являются регулярный и адап-
тивный.
Оператор обработки может полностью характеризоваться видом базисных
функций в пространстве параметров, поскольку мы ограничиваемся рас-
смотрением лишь линейных операторов.
В табл. 2.3 приведена классификация методов квазиобратимого сжатия
(минимизации числа координат сообщений) по указанным признакам. Зна-
ком «+» в этой таблице отмечены известные алгоритмы. Естественно, что
таблица может быть расширена как по видам используемых пространств,
так и по виду параметров адаптации.
При регулярном представлении все время наблюдения Тн разбивается на
интервалы равной длины Т, и на каждом интервале формируется число
координат, равное и , одинаковое для всех интервалов. Длительность сооб-
щения Т и число координат в нем выбираются заранее по априорным све-
дениям. В качестве координат могут использоваться мгновенные значения
параметра в точках опроса (ординаты), коэффициенты разложения в ряд
функции, описывающей поведение телеметрируемого параметра на данном
интервале, разделенные разности или другие функционалы.
95
Современная телеметрия в Теории и на практике
Адаптивный способ формирования координат отличается от регулярного
тем, что некоторые параметры, характеризующие сообщение, изменяют-
ся в соответствии с видом текущей реализации. В табл. 2.3 показаны ха-
рактерные способы адаптации. В случае однопараметрической адаптации
может фиксироваться длительность сообщения, и тогда изменяется число
формируемых координат; либо может фиксироваться число формируемых
координат, и тогда изменяется длительность сообщения.
При двухпараметрической адаптации изменяется как число формируемых
координат, так и длительность сообщений. В зависимости от числа пара-
метров, над которыми осуществляется адаптация, можно говорить об одно-,
двух- и в общем случае многопараметрической адаптации. Рассмотрим во-
просы организации адаптивных алгоритмов сжатия несколько подробнее.
2.4.6.	Принципы построения адаптивных алгоритмов сжатия данных
Математическое моделирование различных алгоритмов сжатия данных о по-
ведении телеметрируемых процессов свидетельствует о том, что коэффициент
сжатия существенно зависит от организации алгоритма сжатия. Эта зависи-
мость становится еще более заметной, когда отбор существенных координат
осуществляется в реальном масштабе времени.
Сам факт такой зависимости не очевиден, однако может быть объяснен,
если рассмотреть возможные варианты организации алгоритмов. Исполь-
зуя классификационные признаки адаптации, описанные в предыдущем
параграфе, можно построить три варианта алгоритмов в классе квазиобра-
тимых преобразований:
1.	Фиксируется интервал аппроксимации, на котором отыскивается ап-
проксимирующий полином соответствующей степени (то есть подби-
рается число координат).
2.	Фиксируется число координат, и автоматически подбирается интер-
вал аппроксимации.
3.	Автоматически выбирается интервал аппроксимации и число коор-
динат.
Алгоритмы с однопараметрической адаптацией, у которых адаптивным пара-
метром является либо степень аппроксимирующего полинома, либо интервал
аппроксимации, представляют собой алгоритмы с низким уровнем адаптации
и обеспечивают сравнительно невысокий коэффициент сжатия. Простота
алгоритмов сжатия данных с однопараметрической адаптацией и аппаратур-
ных решений и привлекла внимание большого числа исследователей, разра-
ботавших значительное количество модификаций алгоритмов нулевой и пер-
вой степени, основанных на применении простых базисных функций.
96
Зак 861
Таблица 2.3. Классификации методов квазиобратимого сжатия данных (минимизация числа координат сообщения)
Способ формирования координат				Пространство параметров													
			L2								Другие 	пространства				
					Вид базисных функций													
			Собственные функ- ции оператора с ядром	Функции Котельникова	Полиномы Чебышева	Полиномы Лежандра	Степенные функции	Функции Хаара	Функции Уолша	Другие	Полиномы Бернштейна	Полиномы Ньютона	Степенные функции	Другие	неизвестны
Регулярный		Формирование постоянного числа координат п = const	+	+	+	+	+	+	+		+	+	4-	н	Н
Адаптивный	Однопараметрическая адаптация	Адаптация по числу координат при Т — const	+	н	+	+	+	н	н	Н	+	+	+	н	н
		Адаптация по длине интервала аппроксимации при фиксированном числе координат п = const	+	н	+	+	+	н	н	н	н	+	+	н	н
	Двухпара- метрическая	Адаптация по числу координат и длине интервала аппроксимации	+	н	4-	+	н	н	н	н	н	+	-	н	н
	Многопара- метрическая	Адаптация по числу координат, длине интервала аппроксимации и другим параметрам	н	н	Н	н	н	н	н	н	н	н	Н	н	н
Глава 2. Теория телеметрии
Современная телеметрия в теории и на практике
Алгоритмы сжатия данных с адаптацией по степени при фиксированном
интервале аппроксимации требуют накопления данных измерений и пред-
ставляют собой хорошо разработанные классические методы теории ин-
терполяции. Сам факт накопления данных и последующей их обработки
с целью отбора существенных координат приводит к задержке в передаче
данных, которая не всегда может допускаться.
В последнее десятилетие были разработаны главным образом алгоритмы
сжатия данных с адаптацией по интервалу аппроксимации при фиксиро-
ванной степени аппроксимирующего полинома. Алгоритмы такого типа
позволяют осуществлять отбор существенных координат в реальном мас-
штабе времени или в темпе поступления ординат и, следовательно, лише-
ны недостатка, свойственного алгоритмам с адаптацией по степени.
Эти алгоритмы позволяют более полно использовать приближающие свойс-
тва полиномов в метрике выбранного пространства (обычно в пространстве
С). Значительное число таких алгоритмов сжатия данных предполагает
использование низкостепенных приближающих функций (ступенчатая
или линейная аппроксимация) и отличается лишь способом отбора сущес-
твенных координат. Алгоритмы сжатия данных с адаптацией по длине ин-
тервала аппроксимации работают следующим образом.
Для заранее установленной фиксированной степени делается попытка по-
строить приближающий полином через существенные ординаты, отобран-
ные из дискретной последовательности ординат, подаваемой на устройство
сжатия данных с равномерным шагом. Попытка считается удачной, если
погрешность интерполяции во всех т узлах для ранее поступивших ординат
не превышает допустимой.
В этом случае делается попытка экстраполировать ранее вычисленным по-
линомом вновь поступающие ординаты (т 4-1) -ю, (ш + 2)-ю и т. д. Если
в (т 4- &)-й точке ошибка приближения оказывается больше допустимой,
то есть Ет+к > Едоп, то выдается информация о правой границе интервала
аппроксимации; начинается выбор существенных узлов и поиск правой
границы нового интервала аппроксимации.
Построение алгоритмов сжатия с однопараметрической адаптацией может
предусматривать использование интерполяционной процедуры. В этом
случае алгоритм строится с таким расчетом, чтобы подбор существенных
узлов и координат позволял построить приближающий полином для воз-
можно большего количества ординат контролируемого процесса.
Алгоритмы сжатия данных с двухпараметрической адаптацией сочетают
процедуры интерполяции и экстраполяции и позволяют по мере поступле-
ния ординат контролируемого процесса наращивать степень приближающе-
98
Глава 2. Теория телеметрии
го полинома. Такая организация алгоритма хотя и усложняет вычислитель-
ную схему отбора существенных координат, но позволяет получить высокие
коэффициенты сжатия данных.
Из всех существующих алгоритмов сжатия данных алгоритмы с двухпа-
раметрической адаптацией обладают наибольшей эффективностью. Кро-
ме того, эти алгоритмы позволяют сохранить непрерывность контролируе-
мого процесса и ряда его производных.
При построении алгоритмов сжатия данных с двухпараметрической адап-
тацией возможны две схемы:
1. Сначала осуществляется процедура выбора оптимального интервала
аппроксимации, а затем производится выбор степени и построение
аппроксимирующего полинома.
2. Выбор длины интервала аппроксимации и наращивание степени по-
линома осуществляются при последовательном чередовании обеих
процедур: на шаг или несколько шагов увеличивается интервал, за-
тем на единицу или несколько единиц повышается степень и т. д.
Способ совмещения обеих описанных процедур является наиболее слож-
ным логическим элементом каждого алгоритма и в значительной степени
определяется видом базисных функций. Проведенные авторами исследо-
вания показали, что для ортогональных полиномов наиболее выгодной яв-
ляется первая схема, а для неортогональных - вторая.
2.4.7.	Критерии оценки алгоритмов сжатия данных
Классификации и отличительные особенности алгоритмов сжатия
Каждый метод сжатия (табл. 2.3) может быть реализован, вообще гово-
ря, несколькими алгоритмами обработки сообщений в кодере источника,
при этом основными отличительными особенностями алгоритмов сжа-
тия являются:
•	число параметров адаптации,
•	характер обработки,
•	характер аппроксимирующей процедуры, учитываемый при вычис-
лении координатной ошибки,
•	способ выбора длины интервала аппроксимации,
•	способ контроля координатной погрешности.
99
Современная телеметрия в теории и на практике
Характер обработки может быть непрерывный или дискретный в соответс-
твии с математическим выражением оператора вычисления координат со-
общения. Непрерывную обработку применяют обычно при допустимости
невысокой точности преобразований, поскольку они реализуются на анало-
говой аппаратуре. Достоинством непрерывной обработки является возмож-
ность обеспечения большого быстродействия аппаратуры.
По характеру аппроксимирующей процедуры алгоритмы могут быть раз-
делены на три группы:
•	с интерполяцией,
•	с экстраполяцией (то есть предсказанием или прогнозированием),
•	с интерполяцией и экстраполяцией одновременно.
Всякое прогнозирование основано на предположении о возможности рас-
пространения аппроксимирующей формулы на последующий интервал вре-
мени, то есть на предположении о постоянстве, инвариантности свойств
контролируемого параметра, на базе которых проводилась аппроксимация
на предыдущем участке. Только при этих условиях экстраполяция может
обеспечить коэффициент сжатия, сравнимый с тем, который дает интер-
поляция. Если же параметр динамичен или искажен случайной помехой, то
эффективного сжатия можно ожидать только от интерполяционных алго-
ритмов. Совмещение экстраполяции с интерполяцией полезно в тех случаях,
когда контролируемые параметры имеют участки с малой динамичностью.
Несмотря на указанные недостатки, алгоритмы с экстраполяцией имеют
одно достоинство, которое заключается в том, что в случае аномального пове-
дения параметра они обеспечивают возможность выбирать данные о характе-
ре поведения контролируемого параметра с большей подробностью и малой
задержкой.
По способу выбора длины интервала аппроксимации нельзя провести столь
четких градаций. Во всех известных алгоритмах, где решается вопрос о вы-
боре интервала аппроксимации, степень аппроксимирующего многочлена
является фиксированной и задача, таким образом, сводится просто к теку-
щему контролю погрешности аппроксимации при фиксированном количес-
тве координат и наращиваний интервала.
Как только погрешность достигает заданной величины, интервал обрыва-
ется и процесс начинается сначала. Исключением является алгоритм, в ко-
тором автоматически выбирается как степень аппроксимирующего поли-
нома, так и интервал аппроксимации. Для ортогональных координатных
функций предложенный способ практически неприемлем из-за чрезвы-
чайно большого количества вычислений.
100
Глава 2. Теория телеметрии
Способ контроля координатной ошибки может быть непосредственный и
косвенный. При непосредственном контроле координатной ошибки прове-
ряется уклонение аппроксимирующей функции в каждой точке опроса кон-
тролируемого параметра, либо вычисляется дисперсия ошибки на интерва-
ле и сравнивается с допустимой, либо контролируется ошибка на концах
отрезка аппроксимации, где ошибки обычно имеют наибольшее значение.
Косвенный способ предусматривает контроль не самой ошибки, а величи-
ны, с ней связанной, например разделенной разности п- го порядка или мо-
дуля значений координат.
Могут быть и другие отличительные особенности алгоритмов, например
содержание выходных данных устройства сжатия, то есть математический
смысл формируемых координат.
Координатами могут быть: коэффициенты аппроксимирующего ряда, раз-
деленные разности (в случае применения полиномов Ньютона), ординаты
контролируемого процесса в узлах интерполяции (если не все точки отсче-
та контролируемого параметра являются узлами). В соответствии с пере-
численными особенностями можно построить множество разнообразных
алгоритмов.
Для сравнения их между собой необходимо установить систему единых
числовых характеристик алгоритмов. Такими характеристиками могут
быть следующие:
•	коэффициент сжатия:
•	показатель эффективности представления сообщений;
•	коэффициент сложности алгоритма, оцениваемый, например, коли-
чеством вычислительных операций на отсчет;
•	время задержки сообщения в кодере источника;
•	показатель помехоустойчивости.
В настоящее время различные исследователи хотя и пользуются некоторы-
ми из этих характеристик, но допускают иногда определения, применимые
лишь к частным задачам. Ниже предлагаются математические определения
названных характеристик.
Коэффициент сжатия данных
Поскольку сжатие данных используется для разгрузки каналов связи и
запоминающих устройств, то коэффициент сжатия должен характеризо-
вать изменение объема сообщений. Естественно, что оценку коэффици-
ента сжатия целесообразно производить путем сравнения объема сообще-
101
Современная телеметрия в теории и на практике
ний J, получаемого в результате сжатия, то есть при выбранном способе
представления (кодирования) сообщений с объемом Jo, получаемым при
некотором исходном или эталонном способе формирования сообщений,
то есть
кеж =
при p(F\F)<pdon.
Если координаты сообщения имеют идентичные характеристики, то:
(2-М)
при p(f',F)< р„ и8 =const.
В качестве эталонного способа формирования координат У,, К Vn удоб-
но взять циклический опрос датчика и аналоговую или цифровую переда-
чу значений f(t) в точках опроса. В качестве эталонного способа восста-
новления функции f (/) можно взять интерполяцию значения f (t)
полиномами нулевой или первой степени между точками опроса.
Коэффициент сжатия может определяться лишь при выбранном показателе
верности р(F*, F). Значение р зависит не только от способа формирова-
ния координат сообщения и восстановления f’(t), но и от погрешностей,
вносимых системой в координаты сообщения.
В ряде случаев, чтобы разделить влияние этих факторов, коэффициент сжа-
тия алгоритмов характеризуют значением ксж = п/пй и при вычислении
р (F ,F) полагают, что координаты сообщения передаются и воспроизво-
дятся точно, то есть к^. = п/п0 при p(F ,F) = рдопи 5=0.
Таким образом, при определении ксж учитываются лишь базисные погреш-
ности, а влияние погрешностей, вносимых системой, учитывается отдельно.
Такой подход вполне закономерен, но нужно иметь в виду, что без учета
влияния погрешностей, вносимых системой в координаты сообщения, он
еще не дает полной оценки данного метода (алгоритма) сжатия.
Эффективность представления сообщений
Для некоторых критериев верности, характеризуемых одним скалярным
показателем p(F ,F) , теория позволяет вычислить минимально дости-
жимый объем сообщений Jmin или число координат wmin в определен-
ном классе алгоритмов формирования координат сообщения и восста-
новления процесса f(f). Используя такие оценки, можно выбранный
в данном классе способ представления сообщений (способ сжатия)
102
Глава 2. Теория телеметрии
характеризовать коэффициентом эффективности = Jmm/J при
p(F’,F) = pdon, или
^сж=пт;п/п	(2-91)
при p(F*,F) = pd0Z7 и 8 = const.
Коэффициент эффективности является некоторой абсолютной характе-
ристикой выбранного способа представления сообщений в данном классе
сигналов.
Условием однозначности определения коэффициента сжатия (а также по-
казателя эффективности сжатия) является проверка алгоритмов на конт-
ролируемых параметрах с одинаковыми характеристиками, то есть на сиг-
налах одного класса.
Поскольку эффективность алгоритмов сильно меняется для разных классов
сигналов, то одной из задач исследования каждого алгоритма является правиль-
ный выбор области его применения; для достаточно точного выявления облас-
ти применения каждого алгоритма следует установить систему тест-сигналов.
В эту систему включены сигналы трех основных классов:
•	случайные;
•	аналитические;
•	аддитивные комбинации тех и других (в аддитивных сигналах можно
использовать и типовые телеметрируемые функции).
Для восстановления всякого сообщения в месте приема необходима вре-
мя-адресная информация, а именно: временная привязка символов сжато-
го сообщения, показатели количества членов разложения в зависимости
от принятого алгоритма сжатия, способа восстановления и способа пере-
дачи. При этом речь идет не об избыточной информации, которая вносит-
ся при последующем кодировании для повышения достоверности переда-
чи, а лишь об информации, требуемой для восстановления исходной
функции даже при отсутствии помех в канале связи. Время-адресную ин-
формацию часто называют служебной.
Ясно, что необходимость передачи этой информации понижает эффектив-
ность сжатия, причем есть основания считать, что с увеличением коэффи-
циента сжатия будет возрастать количество время-адресной информации,
которую необходимо передавать.
Поэтому коэффициент сжатия и показатель эффективности сжатия сле-
дует вычислять с учетом количества время-адресной информации и под
количеством информации понимать сумму количеств основной и время-
адресной информации.	4
103
Современная телеметрия в теории и на практике
Коэффициент сложности алгоритма
Коэффициент сжатия зависит от сложности алгоритма обработки, и, как
правило, чем выше требуемый коэффициент сжатия, тем сложнее алгоритм
обработки.
От сложности алгоритма в значительной степени зависят: вес, габариты,
стоимость, надежность и другие характеристики аппаратуры обработки,
поэтому коэффициент сложности может рассматриваться и как эксплуата-
ционная характеристика метода сжатия.
В качестве коэффициента сложности рационально принять среднее число
вычислительных операций, реализуемое аппаратурой сжатия для вычис-
ления одной координаты, - при этом вычислительные операции должны
быть приведены к коротким операциям.
Другим показателем сложности алгоритма может быть количество команд
в вычислительной программе, которое определяет объем памяти, необходи-
мой для хранения команд.
Время задержки сообщения в аппаратуре сжатия
Этот параметр (тз) очень важен при сжатии в процессе проведения экспе-
римента. Допустимая величина задержки в основном определяется вероят-
ностью аварийной ситуации и временем протекания аварийных процессов,
ибо в этом случае вся накопленная в оперативной памяти информация мо-
жет быть потеряна, тогда как именно она наиболее важна.
Задержка сообщения Т 3 в общем случае складывается из времени накопле-
ния в оперативной памяти кодера источника Т и времени вычисления коор-
динат, то есть времени обработки в кодере источника Хобр: Т3 =Т +Тобр.
Если применяется экстраполяция при вычислении координат, то формиро-
вание координат производится параллельно с накоплением в оперативной
памяти, и время Г в задержку Т 3 может не входить, тогда Т3 ~^обр-
Показатель помехоустойчивости
Прежде всего следует ввести четкое разделение понятий «помехоустойчи-
вости выбранного способа представления сообщений» и «помехоустойчи-
вости системы — радиолинии».
Помехоустойчивость способа представления сообщений (сжатия) харак-
теризуется чувствительностью сообщений к искажениям координат.
104
Глава 2. Теория телеметрии
Пусть 6 - некоторый показатель искажения передаваемых координат со-
общений (средняя квадратичная ошибка, шаг квантования шкалы, вероят-
ность аномальных ошибок и т. п.).
Обозначим р(8) значение показателя верности p(F , F) при заданном 5
и выбранном способе представления сообщений, а р0 (6 ) - значение пока-
зателя верности при некотором исходном или эталонном способе формиро-
вания координат и восстановления процесса f (/). Тогда помехоустойчи-
вость выбранного способа представления сообщений может характеризо-
ваться показателем Ц = р(5)/р0(8) при р(0) = ро(0).
Приведенное отношение характеризует относительное уменьшение вернос-
ти восстановленной функции f (/), обусловленное искажением коорди-
нат сообщений.
Обычно Ц < 1, так как большая избыточность координат сообщения в эта-
лонном способе обусловливает меньшее влияние ошибок, вносимых в эти
координаты (некоррелированные ошибки взаимно компенсируются).
Помехоустойчивость системы передачи информации может характери-
зоваться различными показателями и, в частности, выигрышем в средней
мощности -полезного сигнала или полосы частот радиолинии при обеспе-
чении той же верности, например: Pso/Ps \ ДД /Д/4 при р (F*, F) = р доп,
где Ps, Pso - мощности полезного сигнала на входе приемного устройства,
а Д/, Д/о - полосы частот, занимаемые радиолинией, соответственно, при
выбранном и эталонном способах представления сообщений.
Важно обратить внимание на то, что при Ц < 1 для правильно выбранных
способов сжатия Pso/Ps >1 или Д/'о/Д/’ > 1. Таким образом, сжатие со-
общений, несмотря на увеличение их чувствительности к искажениям слу-
чайной помехой, позволяет получить более высокую помехоустойчивость
системы в целом, то есть улучшить энергетические показатели радиолинии
или уменьшить полосу занимаемых ею частот.
Выигрыш объясняется тем, что в сжатом сообщении уменьшение числа ко-
ординат позволяет, соответственно, увеличить длительность их сигналов и,
следовательно, обеспечить ту же или даже большую энергию, расходуемую
на передачу каждой координаты при меньшей средней мощности полезно-
го сигнала Ps. Увеличение длительности сигналов отдельных координат
непосредственно позволяет уменьшить полосу частот , что опять-таки
повышает помехоустойчивость системы.
Естественно, что, используя те же значения Ps и Д/* при передаче сжатых
сообщений, можно получить лучшую верность p(F , F).
105
Современная телеметрия в теории и на практике
2.5.	ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ
2.5.1.	Общие сведения о многоканальных системах телеметрии
Рассмотрим принцип построения многоканальной системы передачи ин-
формации (рис. 2.17). Многоканальная система содержит N датчиков Дк,
в которых \(t) сообщения преобразуются в первичные сигналы SK(t).
Канальные модуляторы КМкиз сигналов SK(t) формируют видеосигналы
SBK(t), которые поступают в суммирующее устройство Z, называемое также
формирователем группового сигнала Sz(t). Этот сигнал поступает в пере-
датчик ПД, где из сигнала Sz(t) образуется линейный сигнал S^t), кото-
рый, пройдя линию связи Л С, поступает на вход приемника ПМ, на выходе
которого действует сигнал Sz(t), отличающийся в реальных системах из-за
влияния помех от сигнала Sz(t).
Канальные селекторы КСк служат для выделения сигналов SBK(t) из сигнала
Sz(t) по их отличительным признакам и преобразования их в информаци-
онные сигналы S K(t), которые затем подаются в преобразователи сигналов
в сообщения ПСк.
Рис. 2.17. Многоканальная система передачи информации
В многоканальных системах телеметрии видеосигналы SBK(t) наделяются
такими отличительными признаками, которые позволяют выделить их
из группового сигнала Sz(t) с помощью канальных селекторов, то есть
позволяют произвести разделение сигналов.
Методы разделения сигналов (каналов) делятся на линейные и нелиней-
ные. При линейном разделении групповой сигнал:
(<)=£$„(<).
106
Глава 2. Теория телеметрии
Наиболее распространенными являются способы линейного разделения
канальных сигналов по частоте, времени, фазе и форме.
К нелинейным методам разделения относятся разделение по уровню
и комбинационное разделение.
2.5.2.	Основы ЛИНЕЙНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ сигналов
При линейном разделении сигналов групповой сигнал можно представить
в виде:
у	у
(О = 2L $ВК (О = У*,	(О ,
У=1	У=1
где (pt (t), (p2(t)   <pN(t) - система функций, с помощью которых производит-
ся перенос информации; Ск - коэффициенты, отображающие мгновенные
значения непрерывных сообщений, или числа, соответствующие символам
дискретных сообщений.
Идеальный канальный селектор в канале с отсутствием помех должен
реагировать только на сигналы данного канала и давать нулевой отклик
на сигналы других каналов, то есть:
$вк (О ~	4
У 1 У
= IX {ЭД},
/=1 /=1
где Rk — оператор разделения.
Эту операцию можно представить иначе:
R ^М-.М)при / = к;
Р/ (0/ -	ПрИ I ф к
или:
R {Сфет}4СА(')ПРИ '' = К;
ДЧУЛ// |q при/^к.
Избирательные свойства устройства, состоящего из N канальных селекто-
ров, каждый из которых реагирует только на свой сигнал SBK (/) , впервые
были описаны Д. В. Агеевым в 1935 г.
Линейное разделение сигналов возможно лишь в идеальном канале без по-
мех при линейной независимости канальных сигналов 5ВК(/) = CK<pK(t),
справедливой, если тождество:
(0 + ^Ф2 (0 + *•’ + ^уФу (0 — О
выполняется только тогда, когда С, = 0.
107
Современная телеметрия в теории и на практике
Принцип разделения сигналов наглядно демонстрируется при представле-
нии группового сигнала Sz(t) и канальных видеосигналов SBi(t) в виде
векторов многомерного пространства.
Для г-го источника множество его сигналов S,(7)с граничной частотой FmjH
длительностью То.образует подпространство {Ф,} мерностью Мф, = 2FmTCi.
Видеосигналы SBj(t), формируемые канальными модуляторами, представ-
ляются в виде векторов подпространства {Ф,} мерностью jV = 2Fc{TCj.
В общем случае 7Уф( = £Л,УФ/.. Например, при амплитудной модуляции:
F& = и £у = 2 .
На рис. 2.18 показаны подпространства ф(. видеосигналов SBi(t), входящие
в пространство ф0.
Разделение сигналов возможно, если подпространства ф( не пересекаются
Рис. 2.18. Подпространства ф; видеосигналов SBj (/), входящие в пространство ф0
В случае пересечения подпространств ф( и фу возникают переходные помехи.
Каждое подпространство ф, задается направлением а,-. Вектор (?) в
N-мерном пространстве можно разложить на N независимых векторов на-
правлений 0li,a2,..,aw, составляющих базис пространства, то есть вектор:
_ N _ N
St=ySBi=yCa
L	DI	I
i=\	/=!
где С. — коэффициенты разложения, численно равные мгновенным значе-
ниям
108
Глава 2. Теория телеметрии
Величина вектора сигнала S3K (/) получается путем отображения вектора
SL(f) на пространство <рк таким образом, чтобы его проекции на осталь-
ные подпространства ф;. еф0(/ к) были равны нулю.
Таким образом, при векторном представлении разделение сигналов есть
разложение суммарного вектора (/) по линейно-независимым направ-
лениям. Это возможно, как упоминалось ранее, при условии, что канальные
видеосигналы являются линейно-независимыми функциями времени.
Для N- мерного базиса скалярное произведение двух векторов:
(а/,ау) = |сс/||осу|cosG ,
где ОС, и ау - модули векторов; 0 - угол между ними.
Векторы а, ОС у могут быть не только линейно-независимыми, но и орто-
гональными, то есть:
(а/5ау ) =0 при i ф j.
Если:
z— — ч ( I при i = у;
(«-,«>) = {о при i*j,
то базис называется ортонормированным.
Система функций ф/.(/),ф2(/),...,флг(^) будет ортогональной и нормирован-
ной, если скалярное произведение:
Гг	fl при i =
(Ф/Ф7)= |ф/(Оку(о^=С . .
7	' J [0 при i Ф j.
На приемной стороне канальный видеосигнал:
Т2
=	(^)фк (0^ =	к)
Ъ
Из изложенного следует, что для канала без аддитивных помех многока-
нальные системы могут строиться на базе линейно-независимых неорто-
гональных и линейно-независимых ортогональных переносчиков Фк(/).
В реальных каналах с помехами используются ортогональные сигналы,
обладающие более высокой помехоустойчивостью по сравнению с неорто-
гональными сигналами.
Ортогональные сигналы обладают и другими достоинствами: простотой
технической реализации и возможностью в ряде случаев совмещать задачи
разделения сигналов и демодуляции.
109
Современная телеметрия в теории и на практике
К ортогональным относятся сигналы с неперекрывающимися частотными
спектрами, которые получаются из сигналов SBK, прошедших через поло-
совые фильтры. На основе этих сигналов строятся системы с частотным
разделением каналов (ЧРК). Для них канальные сигналы являются ортого-
нальными в частотной области, то есть
j Si((0)SJ(o)da) =
1 при i = j;
О при i j.
Ортогональными функциями времени являются периодические последо-
вательности импульсов», не перекрывающиеся во времени. На их основе
строятся системы с временным разделением каналов (ВРК).
Ортогональными являются два гармонических колебания с одинаковыми
частотами и со сдвигом фаз, равным я/2. Информация в такой двухканаль-
ной системе передается путем модуляции амплитуд гармонических колеба-
ний информационными сигналами.
К числу ортогональных переносчиков, которые можно использовать для
передачи дискретных сообщений, относятся функции вида coscot, cos2cot,
cos3cot, ..., ортогональные полиномы Лежандра, Чебышева, Якоби, Лагер-
ра, Эрмита и др., а также дискретные ортогональные последовательности в
виде функций Уолша, Радемахера и др.
В телеметрии в основном применяются системы с временным и частотным
разделением каналов.
2.5.3.	Нелинейное разделение сигналов
К нелинейным методам разделения сигналов относятся такие методы, при
которых либо сигнал SL(t) не может считаться суммой канальных сигналов,
либо, если он является суммой, разделение осуществляется нелинейными
устройствами. Среди нелинейных методов получили распространение ме-
тоды комбинационного разделения и разделения по уровню.
Комбинационный метод разделения
Комбинационный метод разделения основан на том, что п дискретных
(обычно двоичных) сообщений at, а2..., ап, принимающих значения 0 или 1,
отображаются n-значным двоичным кодом. В таблице 2.4 приведены 2П ком-
бинаций, отображающих различные сочетания сообщений ар а2, а3, а4.
Данный метод используется в цифровых системах телеметрии с частотным,
временным или адресным разделением каналов- при- передаче сигнальных
параметров путем уплотнения каналов, по которым передаются функцио-
нальные параметры.
110
Глава 2. Теория телеметрии
Таблица 2.4. Комбинационный метод раделения сигналов
«Г	сч Л	л5	«г		л	т се	се5-
0	0	0	0	0	1	1	0
1	0	0	0	0	1	0	1
0	1	0	0	0	0	1	1
0	0	1	0	1	1	1	0
0	0	0	1	1	1	0	1
1	1	0	0	1	0	1	1
1	0	1	0	0	1	1	1
1	0	0	1	1	1	1	1
Метод разделения сигналов по уровню
Этот метод основан на разделении сигналов, уровни которых обычно находятся
в соотношении 1:2:4:8 и т.д. Отличие уровней минимум в два раза позволяет
надежно выделять канальные сигналы на фоне помех. При этом важные диск-
ретные сообщения типа «да - нет» можно передавать на более высоком уровне.
На рисунке показаны временные диаграммы для трехканальной системы. Се-
лекцию сигналов можно осуществлять с помощью пороговых устройств, число
которых в общем случае равно 2К, где к - число сообщений. Метод разделения
сигналов по уровню используется при уплотнении информационных каналов
в аналоговых телеметрических системах при передаче сигнальных параметров.
Рис. 2.19. Нелинейное разделение сигналов
111
Современная телеметрия в теории и на практике
2.6.	АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Несмотря на значительное распространение цифровых методов передач до-
статочно широко еще распространены и аналоговые методы. При этом во
многих случаях переход на “цифру" не производится из принципиальных
соображений. В связи с этим аналоговые методы не теряют своей актуаль-
ности и на сегодняшний момент, а потому и их рассмотрение включено в
данную книгу.
При рассмотрении аналоговых и цифровых методов передачи информации
используется единый подход, цель которого состоит в определении основ-
ных особенностей многоканальных телеметрических радиолиний (систем)
и показателей их качества.
2.6.1.	Показатели качества аналоговых телеметрических
радиолиний
Основные характеристики телеметрических систем - точность, достовер-
ность и скорость передачи данных — во многом определяются качеством ка-
налов связи, которые зависят от уровня шумов и полосы занимаемых частот.
Для сравнения телеметрических радиолиний с различными скоростями
передачи информации желательно использовать удельные показатели рас-
хода энергии и полосы частот, не зависящие от абсолютных значений ско-
ростей передачи.
Наиболее удобной характеристикой удельного расхода энергии в телемет-
рической радиолинии является средняя энергия Et сигнала на входе прием-
ника, затрачиваемая на передачу единичного объема информации и обеспе-
чивающая требуемую верность В в заданной помеховой обстановке.
При передаче аналоговых телеметрических сообщений в качестве единич-
ного объема информации рассматривают объем, переносимый одной вы-
боркой.
Скорость передачи информации в таких радиолиниях определяется числом
выборок, переданных в единицу времени:
где: T^Tf/N - длительность канального интервала; То - период опроса отдель-
ного канала ИТС; Af- общее количество каналов.
112
Глава 2. Теория телеметрии
Тогда энергетическую эффективность аналоговой радиолинии оценивают
по показателю:
удельного расхода энергии Еи, затрачиваемой на передачу одного измерения
(одной выборки) при фиксированных значениях показателей верности РА,
где:
•	No - односторонняя спектральная плотность мощности шума на входе
приемника;
•	Рг - средняя мощность сигнала на входе приемника;
•	У, — среднеквадратическая погрешность измерения, приведенная
к эффективному значению сигнала;
•	Рл - вероятность появления аномальной ошибки.
Определим физический смысл показателя Pu. С этой целью преобразуем
соотношение Ри2 = PTK/N0 = PTo/N0Nk виду:
^2~Pc/N0N2Fa~Pc/N02NFv
в котором учтено предельное значение для To=1/2Fm (согласно теореме Ко-
тельникова); &.F^NFm - суммарная полоса частот, занимаемая N каналами.
Таким образом, при полосе радиоканала А/ = 2&FZ показатель Р„2=Р /
N0\f=‘(Pc/Pui)ia представляет собой отношение сигнал-шум на входе при-
емника, которые имеют общепринятое условное обозначение (P^P^-h2,
то есть Q2^ h2.
~ и
Эффективность использования полосы частот в радиоканале оценивают
показателем удельного расхода полосы частот:
а,.-Д//К-Д/Т.
затрачиваемой на передачу одного результата измерения (одной выборки)
при фиксированных значениях показателей верности у и Рл.
В некоторых случаях, например, при сравнивании систем с двухступенча-
той модуляцией, представляет интерес показатель расхода полосы частот
в виде отношения r| «
113
Современная телеметрия в теории и на практике
2.6.2.	Информационно-телеметрическая система с сигналами
АИМ-ЧМ
Радиолиния АИМ-ЧМ является дискретно-аналоговой и используется
для передачи как быстро меняющихся, так и медленно меняющихся па-
раметров.
Структурная схема приемной части такой системы показана на рис. 2.20.
ЛЧП -И ЧД
ФНЧоЫСГХ
ФНЧ NI—► ВЫХ. N
Рис. 2.20. Структурная схема приемной части
В этой схеме:
•	ЛЧП - линейная часть приемника;
•	ЧД - частотный детектор;
•	СПД - селективный пиковый детектор;
•	РИ - расширители импульсов;
•	СС - схема синхронизации;
•	К — коммутатор.
Селективный пиковый детектор (СПД) по частотным свойствам эквива-
лентен идеальному ФНЧ с частотой среза F = 1/2т.
Включение фильтра нижних частот (ФНЧ0) способствует повышению от-
ношения сигнал—шум на выходе приемника и преобразованию (совместно
с частотным детектором) сигнала АИМ-ЧМ в сигнал АИМ-АМ.
Для анализа помехоустойчивости системы будем полагать, что входное воз-
действие представлено гармоническим сигналом с амплитудой AU п, а поме-
ха в радиолинии имеет вид белого шума со спектральной плотностью NG на
входе приемника.
По аналогии с радиолинией ЧМ-ЧМ амплитудный спектр шумов на выхо-
де частотного детектора:
114
Глава 2. Теория телеметрии
линейно зависит от,частоты F в полосе пропускания ФНЧ0. Здесь Рс - мощ-
ность сигнала на входе приемника; Кд - коэффициент передачи (крутизна)
частотного детектора. Если частота среза ФНЧ0 ограничена верхней часто-
той группового видеосигнала, то есть Fcp = FB, то эффективное напряжение
шумов на выходе ФНЧ0 равно:
С другой стороны, эффективное напряжение сигнала на выходе того же
фильтра при 100% модуляции равно:
где Af п - девиация частоты передатчика.
Тогда среднеквадратическое значение шумовой погрешности равно:
_ V2 In0 F3 _ Fe l2N0 Fe _ 1
УэАИМ-ЧМ а/ 11 п о	л/ Ai о '	эАИМ-АМ ’
д/т v рс 3	< V рс 3 V3wz
где mf =	А/уРв - индекс частотной модуляции несущей;
Уэаим-ам =	/ Рс - шумовая погрешность тракта АИМ-ЧМ.
Рассмотрим подробнее вклад отдельного канала в погрешность уэАИМ.АМ-
Для данного вида сигнала (АИМ-ЧМ) на выходе ФНЧ0 (рис. 2.21) величина
Р = (4BJ^HAUJ72=(mU0)72
при m = 1 имеет смысл мощности смодулированных импульсов несущей
частоты (на входе приемника); m - глубина АИМ; Uo - амплитуда смоду-
лированных импульсов.
Рис. 2.21. Сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ)
115
Современная телеметрия в теории и на практике
Если ак=Тк/т - скважность амплитуд но-модулированных (информацион-
ных) импульсов, то средняя мощность сигнала Рс, затрачиваемая на пере-
дачу сообщения по одному каналу, будет равна:
Л? = Л?/аК’
а верхняя частота группового видеосигнала:
Fe~1/2x = a/2T=aKN/2Tg,
где Тк = T/N.
При условии, что период опроса То = l/2Z0Fm, где Zo - показатель превыше-
ния реального значения частоты опроса Fo над минимальным (по Котель-
никову), частота F = a.ZgNFm = clZ^F^, где AFr = NFm - суммарная полоса
частот, занимаемая N каналами.
Тогда:
_	_ Г-	П- РЖ
Ьаим-ам л! р	р	р
V Гс	V ^КГс	V Гс
р	Jz~0
с учетом выражения h2» —-, y3AffM_AM = —— •
Возвращаясь к рассмотрению радиолинии АИМ-ЧМ и учитывая выигрыш
от применения ЧМ, равный y/3mf, получим:
А, _ 1 ____________________ к
Уэаим-чм~~ /т , , откуда h— r-
y/3mf h
Если принять ак = Zo = 2, уэ = 0,01, то при mf = 5 отношение сигнал-шум
составит h = 16,2.
Оценим расход полосы частот, отводимой для передачи сигналов АИМ-ЧМ.
Как было ранее показано, в разделе 2.3, ширина спектра ЧМ колебаний
на несущей частоте равна:
А/ = 20A/m = 2$mfFe = 2$mfa.Zgbfv
™^fn = mfFe.
Следовательно, полоса канала связи для вышеприведенных исходных
данных составит Af = 66 Af,, а искомый показатель расхода полосы частот
¥
составит Т) =---= 66.
116
Глава 2. Теория телеметрии
2.6.3.	Помехоустойчивость радиолинии ВИМ-АМ
Радиолиния ВИМ-АМ получила широкое распространение среди аналого-
вых ИТС с ВРК. Она обладает высокой энергетической эффективностью,
не уступающей эффективности цифровых радиолиний. При использова-
нии многоступенчатой коммутации каналов ИТС с модуляцией ВИМ-АМ
приобретает высокую информационную гибкость в отношении изменения
частоты опроса и числа каналов. Для системы ВИМ-АМ характерны также
высокая точность и простота технической реализации.
Радиолиния ВИМ-АМ относится к числу широкополосных систем. Ее груп-
повой видеосигнал содержит опорные импульсы СХ и измерительные им-
пульсы И( (рис. 2.22.).
Рис. 2.22. Сигнал с время-импульсной модуляцией
(ВИМ),
Длительность т опорных и измерительных импульсов обычно принимается
равной и составляет несколько микросекунд. Опорные импульсы обознача-
ют границы канальных интервалов Тк, то есть являются канальными синхро-
сигналами (синхроимпульсами), имеющими частоту повторения FK = 1/Тк.
После опорных импульсов СУ в шкале Т(|| размещаются измерительные им-
пульсы ИР причем расстояние между ними пропорционально величине по-
лезного сигнала, передаваемого в i-м канале.
По аналогии с индексом частотной модуляции введем в рассмотрение
индекс временной модуляции:
м ^=LJ1SL11,
' X Т X
где Мт = Ти/2 - временная девиация измерительного импульса под дейс-
твием полезного модулирующего сигнала.
117
Современная телеметрия в теории и на практике
Очевидно, что чем больше величина Mt при заданном отношении сигнал-шум
на входе приемника, тем меньше относительная среднеквадратическая по-
грешность = стш /стс, приведенная к эффективному значению сигнала ос и
обусловленная флуктуацией временного положения измерительного импуль-
са под влиянием шумовой составляющей стш смеси полезного сигнала и шума.
Действительно, чем больше величина Тш при данном значении т, тем мень-
ше сказываются одни и те же временные флуктуации измерительного им-
пульса на величину уэ, так как с ростом Т|(| пропорционально возрастает
величина полезного сигнала. Напомним, что для нормального закона рас-
пределения полезного сигнала в пределах шкалы Тш величина ст. =Т|п/6, для
равномерного закона О с = ТШ/ 2>/3 .
В то же время при увеличении Mt увеличивается вероятность появления
в шкале Ти шумовых выбросов, которые могут быть ошибочно приняты за
измерительные импульсы, что, в свою очередь, приводит к появлению ано-
о
мальных погрешностей уэам = —.
& с
Следовательно, индекс временной модуляции имеет оптимальное значение,
обеспечивающее минимум суммарной погрешности = >/уэ2 +у2а„ .
Определение величины yjaii сопряжено со значительными трудностями,
поэтому на практике обычно пользуются флуктуационной (небольшой) по-
грешностью уэ и вероятностью возникновения аномальной погрешности Ран.
Зададимся вероятностью возникновения аномальной погрешности Ран *= Зх10Л
Указанная вероятность имеет место, если половина амплитуды видеоим-
пульса в четыре раза превышает эффективное напряжение шума, то есть
U0/2o п = 4 [6]. Это относится к использованию в приемной части радиоли-
нии ВИМ-АМ (рис. 2.23) фиксатора измерительных импульсов (решающе-
го устройства) простейшего вида, основанного на обнаружении импульса
по пересечению порога U (ор = U0/2 любым из выбросов принятого сигнала,
ближайшего к опорному импульсу
Рис. 2.23. Использование фиксатора измерительных импульсов
118
Глава 2. Теория телеметрии
На рис. 2.23:
•	АД - амплитудный детектор;
•	Ф - фиксатор измерительных импульсов;
•	ВИМ-АМ - преобразователь сигнала с время-импульсной модуля-
цией в сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией.
Чтобы оценить помехоустойчивость радиолинии ВИМ-АМ с помощью на-
хождения взаимосвязи между величиной уэ и показателями энергетической
эффективности h2, а также определить значение индекса временной моду-
ляции Mt, соответствующее заданным величинам Рап = 3x10’4 и уэ = 0,01, об-
ратимся к рис. 2.24.
Рис. 2.24. Оценка помехоустойчивости радиолинии (ВИМ-АМ)
Здесь показаны передаваемый измерительный импульс uc(t) и принятый
импульс с наложенным на него шумом uc+lll (t).
Момент прихода импульса фиксируется по пересечению порога Unop перед-
ним фронтом принятого импульса, то есть напряжением ис+ш.
Из условия подобия треугольников на рис. 2.24 находим:
фр
иш U0 '
где тфр - длительность фронта измерительного импульса.
Отсюда временное смещение фронта импульса или погрешность в опреде-
лении времени его прихода:
=	(2.93)
V0
119
Современная телеметрия в теории и на практике
Погрешность At в выражении (2.93) является случайной величиной. Обыч-
но считают, что она распределена по нормальному закону с нулевым мате-
матическим ожиданием и дисперсией О фр.
Так как иР1 = Рш, то дисперсия флуктуаций переднего фронта импульса,
обусловленная влиянием шума:
— Гт Y
^ФР=^2=РШ JT •	(2-94)
J
При передаче телеметрического сигнала, изменяющегося по синусоидаль-
ному закону, с помощью время-импульсной модуляции:
у = & фр —	& фр
3	A/m/V2’
где а. - эффективное значение временной девиации измерительного им-
пульса, обусловленное передаваемым телеметрическим сигналом.
Из (2.95), (2.94) и (2.92) следует:
" д/. " У,д(. - и„Му '	( '
Выразим величину Uo через среднюю мощность полезного сигнала Рс.
(2.97)
где Рсн = Uo2/2 - мощность смодулированной несущей в импульсе; Qs Т/2т -
скважность сигнала В ИМ.
Подставим (2.97) в (2.96) с учетом того, что Рш = N^f, А/ = 1Лфр
у = Ъфр^З'Рщ _ Ъфр l2N0&fT~ _ у]^фр	(2 gg)
3 М,х^РсТк/х м,х\ РСТК
В выражении (2.98) было принято во внимание, что для сигнала ВИМ пока-
затель энергетической эффективности h2 = PcTK/N0.
Если считать форму измерительного импульса треугольной, то длитель-
ность импульса т на уровне UiiO[)=U0/2 будет равна тф. Тогда из (2.98)
следует:
л/2
M,h
(2.99)
Теперь определим минимальное значение h, соответствующее порогу поме-
хоустойчивости радиолинии ВИМ-АМ, которая имеет место при U0/2csa=
4, где о == .1р .
’	Ш \J U(
120
Глава 2. Теория телеметрии
Из выражения (2.97) и условия т = тфр = 1/l\f следует:
ц = 7лт,д/ =	(2.100)
V ^0
Отсюда минимальное значение h, соответствующее вероятности возникно-
вения аномальной погрешности Ран = 310'4:
/lmin=-^ = 8.	(2.101)
V Г ш
Пользуясь выражением (2.99), найдем оптимальное значение индекса вре-
менной модуляции Mt, соответствующее h - hmin и уэ = 0,01:
2
М,ои = ^^ = 17,7.
р 0,01-8
Полученный показатель hinin = 8 характеризует высокую энергетическую
эффективность радиолинии ВИМ-АМ. Для сравнения укажем, что циф-
ровая радиолиния КИМ-ФМ имеет величину h = 10,6. Следовательно, по-
следняя проигрывает ей по мощности в 1,7 раза)
В заключение определим полосу частот, занимаемую радиолинией
ВИМ-АМ. Обозначим через at = TK/2Atm - величину, характеризующую
продолжительность интервалов при ВИМ. Очевидно, что:
1
Т Т	1
АС = — = —— =---------------=-----:,	(2.102)
2a, 2a.N 4a,NZ0Fm 4a,Z0AFz
где Zo - коэффициент превышения реальной частоты опроса Fo над величи-
ной 2Fm (частотой опроса по Котельникову), то есть Fo == 2Z0Fm; AFZ = NFm -
суммарная полоса передаваемой информации.
Так как Af = 1/т, а т = A tm/Mt, то из выражения (2.102) получим:
А/ = - =	.	(2.103)
т
ш
В частности, при Zo = 2 и at = 2 полоса занимаемых частот Af = 283AFr Та-
ким образом, по полосе занимаемых частот радиолиния ВИМ-АМ уступа-
ет практически всем аналоговым и в особенности цифровым радиолиниям,
у которых Af / AFZ = 28.
121
Современная телеметрия в теории и на практике
2.7.	ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Большинство современных и перспективных ИТС являются цифровыми,
что обусловлено их высокими показателями. Цифровые системы обеспечи-
вают ряд важных преимуществ по сравнению с аналоговыми, хотя и явля-
ются более сложными. К основным достоинствам цифровых методов пере-
дачи в телеметрии относятся:
•	высокая точность передачи и отображения информации, практически
недостижимая при современной технологии в аналоговых системах;
•	высокая помехоустойчивость, возможность многократной ретранс-
ляции и перезаписи информации;
•	малый удельный расход полосы частот, то есть малые затраты поло-
сы частот канала на передачу 1 бит/с;
•	удобство использования временного разделения каналов, создания
адаптивных и адресных телеметрических систем, их сопряжения с ЭВМ
и инте^альными сетями связи;
•	широкое использование достижений современной микроэлектрони-
ки, обеспечивающее устранение противоречия между сложностью,
надежностью и стоимостью цифровой телеметрической аппаратуры.
2.7.1.	Показатели качества цифровых телеметрических
РАДИОЛИНИЙ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ НИМИ
При передаче цифровых сообщений в качестве единичного объема информа-
ции рассматривают один бит информации с заданной верностью. Верность
передачи цифрового сообщения оценивают по вероятности Pt искажения
бита исходной информации, а скорость передачи информации определяет-
ся числом бит, переданных в секунду:
Л, = log2a /тс,
где: т. - длительность многоосновного символа, а - основание кода.
Эффективность цифровой радиолинии оценивают по показателям удель-
ного расхода энергии Et:
₽2 -	= E/(N0log2a) = P/fP,^
и удельного расхода необходимой полосы частот A/np:
а/ “ ДА/Р, “ ^fnpVl°S2 а,
122
Глава 2. Теория телеметрии
затрачиваемых на передачу одного бита информации при фиксированных
значениях вероятности Р, ошибки в бите; Ес - энергия, затрачиваемая на
передачу одного символа цифрового сообщения.
Вместе с тем используют и отношение сигнал-шум по мощности в полосе
пропускания приемника:
у . Р. Р. Р. Д, . Т
р. N^fv R,Na&fnp а/
Предельные соотношения между £2 и af могут быть найдены из формулы
Шеннона для пропускной способности канала связи:
С = &fnplog2a (1+P/PJ, [бит/с]
где: Рс - средняя мощность передаваемого сигнала; Рш - мощность шума в
канале связи; bf - полоса пропускания канала связи.
Пропускная способность - предельное значение скорости передачи в дан-
ном канале, то есть R<C. Из теоремы Шеннона следует, что существует та-
кое кодирование, при котором можно достичь R=C при Р^е (где г - любая
сколь угодно малая заданная величина).
В случае невыполнения соотношения Rt<C радиолиния становится прак-
тически неработоспособной, поскольку вероятность Pj резко возрастает.
Теорема Шеннона - это теорема о существовании идеального кодирования,
обеспечивающего безошибочную передачу информации. Шеннон не указал
способа кодирования, однако из выводов теоремы следует, что для кодиро-
вания необходимо применять многоосновные коды, для которых справед-
ливо соотношение:
xcbfnp~* <ппритс-><х>(а-+ оо/
Преобразовав выражение для С, получим:
C/^-k>g,(1+P/PJ.
гае: Pt - Е/тс - £,/og,oA,	&f„Nr
При R=C:
1/af = log/l+R'E/bf, NJ - log2(1
По определению логарифма:
21/<Х/ = 1 + P2/ap откуда р2 = af(21/az - 1).	(2.104)
123
Современная телеметрия в теории и на практике
Построим график зависимости р2 e /(clf).
Рис. 2.25. График зависимости р2 = f(a)
Предел Шеннона, то есть зависимость (рис. 2.25), позволяет теоретически
обосновать возможность взаимообмена энергетических и частотных ресур-
сов радиолинии при фиксированных скорости и верности передачи инфор-
мации.
Из графика видно, что желание сэкономить полосу частот при af< 1 приво-
дит к резкому увеличению расхода энергии р2. С другой стороны, для умень-
шения расхода энергии р2 необходимо увеличивать расход полосы частот
Однако ни при какой сколь угодно большой полосе частот Д/ир не удается
обеспечить расход энергии ниже минимального значения p2ww = 1п2 « 0,7.
Любая реальная система отображается в данных координатах в виде точек,
лежащих выше предела Шеннона.
Точки А и Б, лежащие на пределе Шеннона, являются несравнимыми. Для
выбора системы следует использовать дополнительные ограничения либо
критерии предпочтения.
На практике любые системы в указанных координатах могут сравниваться
между собой либо с пределом Шеннона.
Для определения значений показателя р2 конкретных телеметрических ра-
диолиний необходимо найти его зависимость от основания кода и веро-
ятности ошибки Рг Указанная задача может быть решена геометрическим
методом, наиболее наглядным из известных методов.
124
Глава 2. Теория телеметрии
2.7.2.	Представление символов в виде сигнальных векторов
Покажем возможность распознавания символов на основе векторного пред-
ставления их в функциональном пространстве.
Любой символ из алфавита объема а, в котором 1< j < а, на интерва-
ле от 0 до тс может быть представлен в виде разложения в обобщенный ряд
Фурье по ортонормированному базису:

где к - номер члена ряда; S(Kj} = |5(7)(/)фк(/)б//- коэффициент обобщен-
ного ряда Фурье (координата); <рА(/) - базисная (координатная) функция,
удовлетворяющая условию ортонормированности:

О, к* г
1 ,к*г
Б - база сигнала, определяющая размерность ортонормированного бази-
са АрХт>4-.
Все координатные функции обладают единичной энергией и между собой
ортогональны.
Коэффициенты Фурье могут рассматриваться как координатные точки
в некотором многомерном абстрактном (функциональном) пространс-
тве. В этом случае каждый символ представляется либо точкой, либо
вектором, который расположен между началом координат и вышеупо-
мянутой точкой:
-» {Я,0’,S(2j\...,S‘y) }-> Su) {S^,S(2J\...,S^ }.
Размерность Б-мерного пространства следует выбирать в соответствии
с требуемой точностью представления сигналов.
Свойства векторного представления цифровых сигналов
Энергия символа:
£о> = |[5и,(/)]!Л = J £«14(0 2>;лЧ>Д')\dt =
125
Современная телеметрия в теории и на практике
(при условии к = г). Энергия каждого символа равна сумме квадратов коор-
динат в функциональном пространстве и численно равна квадрату нормы
сигнального вектора SiJ), изображенного на рис. 2.26.
2
Рис. 2.26. Энергия символа равна сумме квадратов координат
Как следствие, если все символы 80)(1), j = 1...О цифрового сигнала име-
ют одинаковую энергию Е, то соответствующие сигнальные векторы 5<7),
j “ располагаются на гиперсфере радиуса г = у/~Ё.
Скалярное произведение
Корреляционный интеграл с учетом свойств ортонормированного базиса:
Т‘г	Б Б	\
[s'^fys^dt =	=
О	5=1 r=1	о
jS*	г г г г
к
равен сумме произведений одноименных коэффициентов Фурье, перемно-
жаемых сигналов или произведению норм векторов на косинус угла между
ними.
Физический смысл скалярного произведения векторов заключается в том,
что оно дает проекцию вектора 5(у) на вектор 5(/).
Расстояние между концами сигнальных векторов
I	I
Различие символов (t) и S(/) (t) цифрового сигнала определяется рас-
стоянием между концами сигнальных ве^торор этих символов. Это рассто-
яние равно норме разностного вектора (S<7) - 5(/)):
126
Глава 2. Теория телеметрии
1
'(У) g(/)
Для оценки корреляции сигнальных векторов 5(у) и 5(/) (символов S(y) (t)
и S(l)(t)) принято использовать коэффициент корреляции, нормированное
значение которого равно:
где E('J>=(E(J>+E(l>)/2 - средняя энергия символов S(y) (t) и S(f) (t).
Q учетом этого, расстояние между концами сигнальных векторов S(y) и
S(/) в функциональном пространстве:
dJt = [£(у) +Е(,) -2(5(У)5(/))Р =[2£(у7)(1-/С(у7))Р	(2.105)
зависит от средней энергии символов S(y> (t) и S(,) (t) и от значения коэф-
фициента Кр их корреляции.
Коэффициент корреляции символов S(,)(t) и S(2>(t) двоичных цифровых
сигналов (а=2) может принимать значения от-1 до +1. Если К12 = 1, то сиг-
нальные векторы совпадают и их невозможно различить.
Максимально различаются противоположные сигнальные векторы
S(l--5<2) (рис. 2.27), для которых расстояние d]2 =	+ При
условии Е, = Е2 = Е, d12 = 2 у/Е .
УЁ , УЁ §(2>
d12= 2УЁ
<-----------------
Рис. 2.27. Противоположные сигнальные векторы
127
Современная телеметрия в теории и на практике
Для ортогональных сигнальных векторов (рис. 2.28) К°2 = 0, а расстояние
d°2 =	+ Е2  При условии Ej-Ej-E, d[2 = V2£.
Рис. 2.28. Ортогональные сигнальные векторы
Таким образом, при одинаковой средней энергии символов Е12 « const на-
иболее различаются и имеют наибольшую помехоустойчивость сигналы
с противоположными символами.
С другой стороны, для обеспечения одинаковой помехоустойчивости сиг-
налы с ортогональными символами требуют в два раза большего расхода
энергии, чем сигналы с противоположными символами. Действительно,
разнос ортогональных векторов на величину d°2 = 2у[е может быть до-
стигнут при условии = 2ЕиЕ2ж 2Е (dX2 = >/2£ + 2F = 2у[е ),
Изобразим с помощью векторных диаграмм весь набор двоичных цифровых
сигналов (рис. 2.29), обеспечивающих одинаковую помехоустойчивость.
§(П	s(1)	S(1)
§(2)	§(2)	§(2)
Е12=Е	Е12=2Е	Е12=2Е
КИМ 2 - ФМ КИМ 2 - ЧМ КИМ 2 - AM (с пассивной паузой)
Рис. 2.29. Векторные диаграммы.
128
Глава 2. Теория телеметрии
2.7.3.	ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ШУМА
Нормальный белый шум (НБШ) также можно представить в виде обоб-
щенного ряда Фурье:
Б
К=1
со случайными коэффициентами:
N. = р*(Оф,(О<* •
о
задающими случайные координаты шумового вектора в функциональном
пространстве.
Тогда коэффициенты Фурье распределены по нормальному закону:
п2
W (п\ =____-___е 20
в котором:
•	п (t) € N (t) - шумовая реализация процесса N (t);
•	М [N(t)]“ D[NJ - соответственно математическое ожидание
и дисперсия коэффициентов Фурье НБШ.
Найдем функцию корреляции RN(t) шумовых реализаций, имеющих спектр
изображенный на рис. 2.30.
Ямс. 2.30. Функция корреляции RN(x)
По теореме Винера—Хинчина:
Я,(Т) = Г-' [g(/)]=
S 3*М1
129
Современная телеметрия в теории и на практике
Заменив g(f) на gN(f), получим:
F	pj2*fx . pi2*Fx _p-J2nFx
R-‘<T)=JFg‘eM'd'=g° ..................2^--
= g,	= g02rao[2Ttft ].
тгг	2nFx
Как видно из графика функции Sa [2nFx], представленного на рис. 2.31:
lim^o 2Г5Д2Я Ft ] = g08 ft ) > откуда RN(x) - g03(4>.
F~>оо
Найдем коэффициент корреляции разноименных коэффициентов Фурье,
определяемый через произведение координат:
M[NkNr] = M
<0 J 1°
Tc Xc
о 0
= t +T
di =dtx

Tt Tf-/
0 -t
где Rn(t) = M[N(t)N(t+x)] (no определению).
С учетом равенства Rn(t) = g08(x) имеем:
130
Глава 2. Теория телеметрии
M[NkNr] = g0 ]фх(/)фг(t)dt = <
о *
тс т( -t
M[NKNr ] = |фА. (/) J Ф,. (t +т )g05 (т )dtdi .
О	-I
Воспользовавшись фильтрующим свойством дельта - функции:
]фг(/+Т)5(т)Л =фг(/),
получим:
g0 при к = г
О при к* г
Дисперсии всех коэффициентов одинаковы и численно равны двусторон-
ней спектральной плотности белого шума:
Разноименные коэффициенты Фурье не коррелированны между собой.
Следовательно, коэффициенты Фурье белого шума представляют собой
независимые случайные величины, подчиняющиеся нормальному закону
распределения:
Вероятность возникновения заданной шумовой реализации
Поскольку шумовая реализация описывается набором коэффициентов Фу-
рье, то она может быть представлена в функциональном пространстве век-
тором с соответствующими координатами.
Будем считать, что ряд Фурье ограничен Б членами. Тогда:
Б	г
«(О = Xnk^k(0	{”|’П2,...»ПБ }<-> П = {«,,п2,...пБ }.
*=1	I
В связи с этим можем нугги вероятность того, что случайный вектор N
лежит в пределах между п и п + Ди.
। ,
Точно заданная реализация щулуэвого вектора г} = {пх,п2,...,пБ} возникает
с нулевой вероятностью P{N = п} =0, t где^ N г~ случайный вектор. Поэ-
тому будем искать вероятность Р{п < N <п + Ди} 0 попадания случай-
ного вектора N в заданную (небольшую) область функционального про-
странства {(»! <NX <пх + Лпх),...,(пБ < NB <пБ + &пБ)} шумового вектора
п (рис. 2.32).
131
Современная телеметрия в теории и на практике
Рис. 2.32. Вероятность попадания случайного вектора в заданную область
Так как координаты N(, N2,NB независимы, то с учетом малости величины
Д п получим:
Г	&
+	<Nt <и(.
>=|
г	Л	. Л	Г	2	2	2
= -== exp ---------2-----
/=1	I J	L ^^0
Г б \
Г 2	'
где ||и|| - квадрат нормы реализации шумового вектора, равный энергии
шумовой реализации; А - коэффициент, определяемый величиной области
функционального пространства, в которую должна попасть реализация шу-
мового вектора.
Анализ полученного выражения, график которого изображен на рис. 2.33,
позволяет сделать следующие выводы:
1.	Вероятность возникновения шумовой реализации зависит только
от ее энергии и не зависит от формы.
2.	Чем больше энергия шумовой реализации, тем менее вероятность
ее появления. Самую большую вероятность имеет реализация с нуле-
вой энергией.
3.	Шумовые реализации с одинаковой вероятностью появления
образуют в многомерном пространстве гиперсферу с постоянным
радиусом г = ||/71| = V£(w>.
132
Глава 2. Теория телеметрии
Ямс. 2.33. Анализ полученного выражения
2.7.4.	Алгоритм оптимального когерентного приема
Пусть обобщенная структура приемника цифровых сигналов имеет вид,
представленный на рис. 2.34.
Дне. 2.34. Обобщенная структура приемника цифровых сигналов
На вход приемника поступают цифровые сигналы, представляющие собой
последовательности радиоимпульсов длительностью т. из алфавита объема
a - основания кода. Данный алфавит представляет собой множество {S0)(t)}
всех сигналов, в котором l<j < a, 0< t <\.
Основные допущения:
•	. помехи n(t) независимы от полезного сигнала (отсутствует корреля-
ция) и достаточно хорошо описываются белым гауссовским шумом
со спектральной плотностью Ях(/) = ^Г- = До [Вт/Гц];
133
Современная телеметрия в теории и на практике
•	в канале нет существенных переходных искажений;
•	синхронизация идеальная;
•	в точке приема известны формы всех сигналов (символов), неизвес-
тен только номер] принимаемой функции S0)(t)t который подлежит
распознаванию.
Покажем алгоритм распознавания символов S<»(t) на геометрической моде-
ли оптимального приемника заданной структуры.
Передаче символа S^(t) в функциональном пространстве соответствует
сигнальный вектор 5(у). В радиоканале к символу 5^(Х) добавляется реа-
лизация белого шума n(t). При этом суммарному сигналу x(t) = S0)(t) + n(t)
соответствует суммарный вектор х = 5(у) + п . Однако этот вектор может
быть результатом сложения с шумом любого символьного вектора из набо-
ра объемом а (рис. 2.35).
Г 1 ч г
Рис. 2.35. Суммарный аактор X ~	+ П
।
Таким образом, если известны все символьные вектора S, jj - 1то в ре-
зультате анализа вектора х можно принять а гипотез:
х =SiJ) + ntJ) ,j - 1.а
Г г 1
и найти а гипотетических реализаций шума = х -	.
Далее приемник вычисляет нормы гипотетических реализаций. На этом за-
канчивается обработка сигналов. Производится сравнение норм. Наиболее
вероятной является реализация шума с минимальной нормой:
min ||и71| -> max Вер.
134
Глава 2. Теория телеметрии
Поэтому оптимальный алгоритм приема заключается в принятии решения
о приеме символа Sm , которому соответствует реализация шумового векто-
ра с минимальной нормой:
(Опт. алгоритм): Sm <-> min||ny||, J =
Полученный алгоритм соответствует оптимальному алгоритму по В. А. Ко-
тельникову (критерии идеального наблюдателя), максимизирующему апос-
териорную вероятность правильного приема сигналов.
2.7.5.	Вероятность ошибок приема цифровых двоичных
СИГНАЛОВ В ОПТИМАЛЬНОМ ПРИЕМНИКЕ
Под действием шума в оптимальном приемнике с некоторой вероятностью
возникают ошибки. Для анализа помехоустойчивости разобьем функцио-
нальное пространство между двумя сигнальными векторами 5(|) и S(2)
на две области I и 11 с прмощьи? равноудаленной на расстояние d/2 от концов
сигнальных векторов 5, и S2 разделительной поверхности (рис.2.36).
Для возникновения ошибки при передаче символа S(1)(t) шумовой вектор
п должен пересечь разделительную поверхность. Разложим вектор шума
। 1 >
п на составляющие ппр и порт, действующие вдоль и перпендикулярно
разделительной поверхности.
। ।
Продольная составляющая ппр, смещающая конец вектора параллельно
разделительной поверхности, не влияет на возникновение ошибок в двоич-
ной радиолинии. Поэтому ее помехоустойчивость определяется составляю-
щей шума порт.
135
Современная телеметрия в теории и на практике
Вероятность ошибки Рош при опознании символа в двоичной радиолинии
совпадает с вероятностью ошибки в бите Pf принимаемой информации и рав-
на вероятности того, что случайная координата порт превысит значение d/2.
44“
Г
^орт
„2
пп	1	00	"
... (e2godn =
d/2	ёо d/2
п2 = z2g0 dn = jg^dz
Это неберущийся интеграл, который можно выразить через табулирован-
ную функцию Крампа:
значения которой приведены в справочнике Бронштейна и Семендяева.
Аргумент функции Крампа определяется показателем удельного расхода
энергии р2 и коэффициентом корреляции символов К|2, а вероятность
ошибки в бите для двоичной радиолинии — учетом (2.105):
Р, = 1(1 -	(1 - Л-,,)/ ^ = 1(1	2 (1 - Л-,,))] (2.106)
Выводы: Для уменьшения вероятности ошибки в бите необходимо уве-
личивать аргумент интеграла вероятности. Его можно увеличивать двумя
способами:
1) уменьшением интенсивности помех g0;
2) увеличением расстояния d между концами векторов, которое дости-
гается:
Во-первых, путем увеличения длин векторов, то есть за счет увеличения
энергии сигналов; во-вторых, за счет варьирования поворота векторов.
Поворот означает изменение формы сигналов. Максимальное расстоя-
ние d имеет место в том случае, если векторы имеют одинаковую длину
(энергию), расположены на одной прямой и направлены в противопо-
ложные стороны, то есть S(I)(/) = -S(2)(/) (рис. 2.37).
136
Глава 2. Теория телеметрии
Рис. 2.37. Максимальное расстояние d
Где:
•	Е(,) - энергия первого двоичного символа;
•	Е(2) - энергия второго двоичного символа;
•	Е1 - энергия, приходящаяся на один бит.
Таким образом, для противоположных сигналов вероятность ошибочного
приема бита информации составит:
С учетом равенства р2 = Е^о = Е/2^.
‘-фИ]
1	2
У ортогональных двоичных сигналов (рис. 2.38):
Рис. 2.38. Ортогональные двоичные сигналы
137
Современная телеметрия в теории и на практике
Из формулы видно, что радиолиния с ортогональными сигналами при том же
' расходе энергии (как у противоположных сигналов) дает большую вероят-
ность ошибки. С другой стороны при той же вероятности ошибки эта радиоли-
ния проигрывает в удельном расходе энергии в два раза радиолинии с про-
тивоположными сигналами.
При передаче информации с помощью ортогональных сигналов при осно-
вании кода а = 2 фактически передаются два противоположных сигнала,
энергия которых составляет половину энергии ортогонального сигнала
(рис. 2.39).

s(1)
Рис. 2.39. Передача информации с помощью ортогональных сигналов
Остальная энергия (вторая половина) уходит на передачу опорного сигна-
ла Son, который не несет полезной информации. Причем Ц^Ц = у]Еорп1 / 2.
Данная геометрическая модель вытекает из системы равенств:

где
•	и	~ первый и второй ортогональные символы соот-
ветственно;
•	и ~ соответствующие ортогональнььм первый и второй
противоположные символы;
•	$оп (0 ~ опорный сигнал.
Примечание: опорный сигнал может использоваться для синхронизации при-
емной аппаратуры.
138
Глава 2. Теория телеметрии
2.7.6.	Оценка помехоустойчивости двоичных радиолиний
Количественные оценки помехоустойчивости типовых двоичных радиоли-
ний могут быть найдены из графиков зависимостей Р^Р^Р2), приведенных
на рис. 2.40.
Рис. 2.40. Количественные оценки помехоустойчивости
На рис. 2.40 принято: ОФМ — относительная фазовая манипуляция, МЧМ
— минимально-частотная манипуляция. Графики построены при различ-
ных значениях коэффициента К12 корреляции символов. Цифровые сигна-
лы КИМ2-ФМ, КИМ2-ЧМ и КИМРАМ (рис. 2.40) имеют коэффициенты
корреляции Кфмж -1, K^K^Q. Поэтому при одинаковой вероятности
ошибки:
P^const.
Сигналы КИМ2-ОФМ и КИМ2-МЧМ получают путем относительного ко-
дирования сигнала КИМ2-ФМ, поэтому одной ошибке в символе сигнала
КИМ2-ФМ будут соответствовать две ошибки в двух последовательных сим-
волах сигналов КИМ2-ОФМ и КИМ2-МЧМ, если один из символов принят
правильно. Следовательно, при одинаковом удельном расходе энергии:
р = р =9Р fl-P }~?р р <-<-1
1 ОФМ L МЧМ ^‘ФМУ’ 1 Фм9~^£ ФМ'1 ФМ '
При этом для достижения одинаковой вероятности ошибки Р=10 5 удель-
ный расход энергии р20фм=9,8 лишь немного превышает значение (32фм=9,2.
Это означает, что радиолинии КИМ2=ФМ, КИМ2-ОФМ и КИМ2-МЧМ
характеризуются практически одинаковым удельным расходом энергии
и превышают в два раза по энергетической эффективности радиолинии
КИМ2-ЧМ и КИМ2-АМ с пассивной паузой.
139
Современная телеметрия в теории и на практике
2.7.7.	Цифровые радиолинии с многоосновными кодами
Как известно из теории потенциальной помехоустойчивости, уменьшение
вероятности ошибки в приеме символов возможно только с применением
многоосновных кодов.
Как показал В. А. Котельников, наилучшие показатели эффективности ра-
диолиний обеспечивают так называемые эквидистантные (равноудален-
ные) сигналы, у которых расстояние и коэффициенты корреляции между
любыми парами символов одинаковы (dj(! - const, К. - const). Данные сиг-
налы имеют одинаковую энергию, причем концы изображающих их векто-
ров лежат на гиперсфере постоянного радиуса -JE . Известны два вида эк-
видистантных сигналов - ортогональные и симплексные сигналы.
Рассмотрим эти сигналы в отдельности.
Ортогональные сигналы
Ортогональным алфавитом называется алфавит, составленный из симво-
лов одинаковой энергии, удовлетворяющих условию ортогональности - ра-
венства нулю корреляционного интеграла:
= ($(1), Sm )= 0.
о
Скалярное произведение векторов, равное коэффициенту корреляции:
0:ii>,s»)=|s™|||5™|coS<p,1=jc,2
равно нулю, если угол между векторами равен 90°.
Физический смысл скалярного произведения векторов заключается в том,
что оно дает проекцию вектора: 5(1) на вектор S(2’ - величина, которой
определяется значение коэффициента корреляции (К^ - 0). Таким обра-
зом, если используется алфавит символов S® (t);j - 1,а, попарно ортого-
нальных друг другу, то изображающие их в функциональном пространстве
сигнальные вектора S{J} ,j = 1,..., а также попарно ортогональны (перпен-
дикулярны) между собой. Причем концы сигнальных векторов располага-
ются на гиперсфере радиуса г = у]Е , расстояние между концами любых
двух сигнальных векторов:
б/= v2£ = const
орт ж
постоянно при любом основании кода а. Рассмотрим ортогональные сигна-
лы в 2- и 3-мерном пространствах (рис. 2.41).
Характерной особенностью этих сигналов является то, что база Б (раз-
мерность функционального пространства) равна основанию кода а. Созда-
ние новых ортогональных сигнальных векторов при увеличении основания
140
Глава 2. Теория телеметрии
б)
Рис. 2.41 Ортогональные сигналы
кода а возможно лишь за счет увеличения размерности Б = а функци-
онального пространства. На практике в качестве ортогональных сигналов
обычно используют сигналы КИМа-ЧМ.
Симплексные сигналы
Концы сигнальных векторов 5с(у) , j = 1,а симплексных сигналов разме-
щаются в вершинах правильного многоугольника (симплекса) в функци-
ональном пространстве с размерностью Бсим|| = а-1, из-за чего и возникло
название этих сигналов. При этом расстояния между концами сигнальных
векторов одинаковы и равны:
d„ = J2£(l-X„) = ^2Еа/(а-1).
где Ксим11 s - 1/(а-1) - коэффициент корреляции символов симплексного
сигнала.
Приведем примеры геометрического изображения симплексных сигналов с
различным основанием кода а (рис. 2.42).
а = 2, Bmin = 1	а = 3, Bmin — 2	а — 4, Bmin = 3
а)	б)	в)
Рис. 2.42. Геометрическое изображение симплексных сигналов
141
Современная телеметрия в теории и на практике
При фиксированном основании кода а концы симплексных сигнальных
векторов S<j) ,j = 1.а совпадают с концами ортогональных сигнальных
векторов S°pm , j = 1,..., а.
На практике в качестве симплексных сигналов обычно используют сигналы
КИМа-ФМ. При а = 2 симплексные сигнальные вектора S(1)t и S(2)c оказы-
ваются противоположными друг другу и для их представления в функцио-
нальном пространстве нужна всего одна координата. Пара противополож-
ных сигналов (векторов) изображает наилучшие двоичные сигналы. Как
видно из рис. 2. 47а, при фиксированном dn = 2>ГЁ - Еорт = ||л/2£’| = 2Е,
то есть в 2 раза больше средней энергии противоположных сигналов.
При а = 3 концы симплексных сигнальных векторов S(1)c, S(2)c, S(3)c лежат
на окружности под углом 120°, что соответствует максимальному расстоя-
нию между векторами. Для таких сигналов размерность Бсимп = 2, а расстоя-
ние между их концами dcl)Mii = 43Е достигается при энергии Есшт = Е, в то
время как при использовании ортогональных символов Е = ЗЕ/2.
Если а = 4, то наилучшему расположению векторов соответствует верши-
на тетраэдра. Он вписан в 3-мерную сферу с центром в начале координат.
Очевидно, что минимальное число координат (база) равно 3. Сфера имеет
радиус 4Ё = yjE log2 4 = yj2Et . При этом расстояние между концами сиг-
нальных векторов dcUMn = у/8Е /3 . Для получения.такого же расстояния при
использовании ортогональных векторов необходима энергия Ео т = 4Е/3
(Е - Е).	Орт
v симп 7
При дальнейшем увеличении основания кода а различие между требуемой
энергией симплексных и ортогональных символов, необходимой для обес-
печения заданного расстояния между концами сигнальных векторов, еще
более уменьшается и стремится к нулю, или а-»оо.
В то же время симплексные сигналы несколько выгоднее отличаются от
ортогональных по показателю расхода полосы частот, поскольку база этих
сигналов на единицу меньше Борт = Бсимп - 1.
Однако у симплексных сигналов полоса частот используется не лучшим об-
разом. Это связано с тем, что при а,= 2Г база симплексного кода оказывается
нечетной Emin = 2Г - 1. Поскольку координатные функции всегда парные:
- nt
(p2wv) = ^cos2k —
ф„(')=	xct
<p2„_i(O = ^sin27C—, / = —
I	тс	тс
142
Глава 2. Теория телеметрии
то одна из координат оказывается неиспользованной. Это и приводит к ухуд-
шению использования полосы частот. Даже простейший противоположный
код, требующий всего одну координату, не обеспечивает хорошего использо-
вания полосы: если используется косинусная координата, то синусная коор-
дината оказывается запрещенной.
По указанным причинам используются более простые коды, которые хуже
по энергетике, но лучше по использованию полосы частот. К таким кодам
можно отнести ортогональные и биортогональные коды.
Биортогональные коды
Если в радиолинии существует ограничение на базу Smin сигналов, то вмес-
то ортогональных сигналов с базой Бт.п = а предпочтительнее использовать
биортогональные сигналы с вдвое меньшей базой Бт.т = а/2.
Биортогональные сигналы могут быть получены из ортогональных сигна-
лов добавлением к каждому символу (вектору) противоположного символа
(вектора). В этом случае каждому символу биортойэнального сигнала про-
тивоположен один символ и ортогональны оставшиеся (а-1) символы.
8 = 4, Brnin s 2	8 = 6. Bmin = 3
а)	б)
Рис. 2.43. биортогональные сигналы
Как видно из рис. 2.43, биортогональные сигналы не являются эквидистант-
ными. Однако расстояния между концами сигнальных векторов этих сигна-
лов при фиксированной энергии символов не меньше, чем соответствующие
расстояния для ортогональных сигналов. При этом база биортогональных
сигналов Борт - а/2 меньше базы ортогональных сигналов в два раза.
На практике в качестве биортогональных сигналов используют сигналы
КИМа-ФМ4/ЧМо/4 с комбинированной частотно-фазовой модуляцией, когда
фаза символа с любой разрешенной частотой может принимать четыре значе-
ния (частоты символов выбирают из условия ортогональности последних).
143
Современная телеметрия в теории и на практике
Помехоустойчивость приема многоосновных сигналов
На практике помехоустойчивость многоосновных сигналов обычно оцени-
вают с помощью верхней границы вероятности нахождения шумовой ре-
ализации в сигнальной области функционального пространства данного
сигнала. Используя этот подход, определим помехоустойчивость для рас-
сматриваемых ранее многоосновных сигналов.
Вероятность ошибки в радиолинии с многоосновными симплексными
сигналами
Пусть а = 3. Данному коду соответствует система из сигнальных векторов,
лежащих в одной плоскости под углом 120°. Для возникновения ошибки
при передаче символа 5(1) необходимо, чтобы шумовой вектор Пересек
хотя бы одну из разделяющих поверхностей 1-2 и 1-3 (рис. 2.44).
Рис. 2.44. Шумовой иктор
Отсюда вероятность ошибки Рош - Вер{перес.1-2 v перес.1-3}. Как известно
из теории вероятности, вероятность совместных событий, например, Ли В‘.
{вер. (A v В)} = Р(А) + Р(В) - Р(А г>В)- Р(А) + Р(В) - Р(А)Р(В).
Тогда по аналогии:
Рош = Вер.{перес.1-2}+ Вер {перес.1-3}- Вер. {перес.1-2}Вер{перес.1-3}.
Если отбросить последнее слагаемое, то формула превращается в неравенство:
Рош < Вер.{перес.1-2}+ Вер{перес.1-3} • 2 Вер{перес.1-2}.
Следовательно, при произвольном основании кода а:
1	d
l-ф  ==г
Рошам < (а‘1> ВеР {перес. 1-2} ~ (а-1)---
144
Глава 2. Теория телеметрии
Поскольку dcuMi = yj2Ea/(a-V), то:
Р . <.(а-Г)<Д-Ф
ОШ CUM \	/
а2Е
(a-l)4g0
= (а-1)И-Ф р
log2a >
/2
таким образом:
1-Ф
^„<(*-1)---------
С увеличением основания кода а будет улучшаться помехоустойчивость кода,
поскольку при постоянной энергии на бит Е1 будет расти энергия на символ
Е1 log2 а и радиус гиперсферы, в которую вписаны сигнальные вектора.
При этом будут увеличиваться расстояния между векторами и уменьшать-
ся вероятности Рош в передаче символов.
Вероятность ошибки в радиолиниях с многоосновными ортогональными
сигналами
Пусть а = 3. Тогда по аналогии с предыдущим случаем в системе из 3-х орто-
гональных векторов (рис. 2.45) вероятность ошибки в передаче первого сим-
вола S(l) будет равна:
Рош s Вер [перес. 1-2 иперес. 1-3] < Вер [перес. 1-2] + Вер. [перес. 1-3/
Рис. 2.45. Система из 3-х ортогональных векторов
145
Современная телеметрия в теории и на практике
Таким образом, для ортогональных многоосновных сигналов, как и для сим-
плексных сигналов:
ош.орт
а с учетом dopm=JlE
ош орт
При а > 3 значения Р^ мало отличаются от значения Рошсиип, что свиде-
тельствует о том, что формулы для Рош симплексных и ортогональных мно-
гоосновных сигналов сходятся при а оо к пределу Шеннона.
Вероятность ошибки в радиолиниях с биортогональными символами
Поскольку биортогональный код не является эквидистантным (равноуда-
ленным), то вероятность перехода символа под действием шумов в другие
символы неодинакова: вероятность перехода каждого символа в противо-
положный много меньше, чем вероятность перехода в один из (а-2) ортого-
нальных символов.
Если пренебречь вероятностью перехода в противоположный символ, то
выражение для вероятности ошибки будет определяться практически тем
же выражением, что и для ортогональных сигналов:
р <(0_2)1-^Д
ошбиорт vu ^7	2
(работает при а > 4).
Биортогональный сигнал обладает той же помехоустойчивостью, что и ор-
тогональные сигналы при заданном основании, однако позволяет эконо-
мить число координат в 2 раза.
Оценка потенциальной помехоустойчивости многоосновных радиолиний
Для оценки помехоустойчивости типовых цифровых радиолиний найден-
ные выше вероятности ошибки в символе P^-ffl^a) пересчитываются
146
Глава 2. Теория телеметрии
в вероятности ошибки в бите Р, = / (Р2, а). В многоосновной радиолинии
каждый символ несет п = log2a бит информации. Так как все коэффициен-
ты корреляции К.{ = k при всех j и 1, то вероятность ошибки в символе не
зависит от того, какой конкретно символ передавался.
При ошибке в опознании символа 5. (t) может быть принято решение о при-
еме любого из (а-1) других равноудаленных символов St (t),j *1. При этом
среднее число ошибочных бит при ошибке в символе можно найти как от-
ношение числа ошибочных бит во всех ошибочных символах к числу бит во
всех ошибочных словах:
”	и7"_|	7”	п
М \п J = У кСк„ /(а -1) log, а = —-= — ----= ——.
L J ГГ "	2 n(a-V) 2(a-l) 2(a-l)
Тогда вероятность ошибки в бите связана с вероятностью ошибки в символе
зависимостью:
Р =—-—Р
' 2(а-1) ош’
откуда:
P,=W(M,a=3
рГ2Лр0Ш>а‘4
Р= 1/2 Рп , а =оо
Для ортогональных кодов, для которых:
1-Ф[цУ1^7]
ош.орт \	/	2
зависимость Р, = f (Р2, а) имеет вид неравенства:
р < a l-<?[PVto^]
1 2	2
Из анализа последней формулы можно установить, что с ростом основания
кода а помехоустойчивость возрастает при постоянной величине р2, так как
уменьшается вероятность Рош. Графики зависимостей = f ф2, а) для орто-
гональных сигналов представлены на рис. 2.46.
Если устремить а —> оо, то зависимость Р1 от р2 приобретает ступенчатый
характер.
147
Современная телеметрия в теории и на практике
0,5 при Р2 < In 2
0 при р2 > In 2
Это свидетельствует о том, что ортогональные сигналы обеспечивают пре-
дельную помехоустойчивость, то есть реализуют лучший код по Шеннону.
Эти же графики можно использовать для оценки помехоустойчивости сим-
плексных сигналов, если ввести поправку:
р„2 = —р2
г'орт &	। гейм •
Оценка частотной эффективности цифровых радиолиний
Частотная эффективность цифровых радиолиний определяется удельным
расходом полосы частот:
Причем произведение ширины необходимой полосы частот на длитель-
ность радиосимвола с прямоугольной огибающей независимо от фазы при
любой частоте/^, заполнения А/тсж/. Поэтому показатель af(a) в конечном
счете определяется количеством различных частот заполнения символов
радиосигнала.
Все символы радиосигналов КИМРАМ, КИМа-БМ, КИМа-ФМ и КИМа
ОФМ передают на несущей частоте и для этих сигналов:
а/Фм " 1/logp.	(2.107)
148
Глава 2. Теория телеметрии
Частота заполнения символов сигнала КИМа-ЧМ принимает а различных
значений. При частотном разносе Д/ смежных символов:
А/ (а)х-1+(а-1) bf.„xc
Поэтому сигналы КИМа-ЧМ с ортогональными символами (&fjJ+1x=i) ха-
рактеризуются удельным расходом частот:
(2.108)
Сигналы КИМ2-МЧМ характеризуется разносом частот ^.f13=1/2xc и
Биортогональные сигналы КИМа-ФМ4/ЧМа/4 построены так, что на каж-
дой из частот/, передают четыре символа с различными фазами, поэтому:
•	(2.109)
Из выражений (2.1) - (2.3) видно, что при больших основаниях кода а су-
щественный выигрыш по удельному расходу необходимой полосы частот
могут обеспечить радиолинии КИМа-ФМ.
2.7.8.	Сравнение информационно-телеметрических систем
Общий подход
Сравнение ИТС с различными сигналами можно производить как по
отдельным показателям эффективности (точности, удельному расходу
энергии и полосы частот, отношению сигнал-шум и т. д.), так и по эффек-
тивности этих систем в целом, то есть по степени приближения сравнивае-
мых систем к идеальной (пределу Шеннона).
В последнем случае сравниваемые системы отображаются в виде точек
в системе координат из 02, a.f или р2и, а/и, нормированных по отношению
к одному биту передаваемой информации или к одной выборке, соответс-
твенно, при фиксированных показателях верности воспроизведения.
По степени близости точек к кривой (пределу Шеннона), построенной в
этих координатах по зависимости (2.1), судят о наиболее эффективной
из сравниваемых систем.'
Таким образом, можно сравнивать между собой отдельно как цифровые, так
и аналоговые радиолинии.
Алгоритм сравнения аналоговых и цифровых радиолиний
Данный подход можно использовать и для сравнения в единых координатах
аналоговых и цифровых радиолиний. Но для этого необходимо привести
149
Современная телеметрия в теории и на практике
в соответствие не только показатели удельных расходов энергии и полосы
частот, но и показатели верности передаваемых сообщений.
В аналоговой радиолинии для большинства передаваемых выборок ха-
рактерна нормальная погрешность, определяемая приведенным к шкале
среднеквадратичным значением, для меньшинства выборок - большие
аномальные погрешности, возникающие с вероятностью РА.
В цифровой радиолинии при передаче большинства выборок за счет кван-
тования сигнала на передающей стороне возникает погрешность кванто-
вания, определяемая также приведенным к шкале среднеквадратичным
значением ук. Кроме того, при передаче некоторого числа выборок один или
несколько символов, входящих в кодовую комбинацию, искажаются шу-
мами настолько, что происходит трансформация переданной комбинации
в ошибочную. Вероятность этого события, вызывающего аномальную по-
грешность, обозначают РАЦ.
Анализ рассмотренных погрешностей показывает:
1. Имеется явная аналогия в характере проявления нормальных по-
грешностей в аналоговой радиолинии и погрешностей квантования
в цифровой радиолинии: эти погрешности проявляются в большин-
стве выборок, и их распределения определяются единственным пара-
метром - дисперсией. Этим сходство погрешностей заканчивается,
они имеют различное распределение и зависят от различных характе-
ристик системы.
2. Аномальные погрешности в аналоговой и цифровой радиолиниях
имеют то сходство, что возникают с некоторой небольшой вероятно-
стью и искажают выборку настолько, что ее желательно отселектиро-
вать и не включать в итоговые результаты.
В связи с этим, при сравнении аналоговых и цифровых линий следует по-
требовать равенства:
Ym - Ук - Ра “ Ран •	(2ЛЮ)
Выполение указанных равенств означает в первом приближении одинако-
вость метрологических характеристик передаваемых выборок. При этом
пренебрегают различиями в законах распределения погрешностей кван-
тования и нормальных погрешностей, а также различиями распределений
аномальных погрешностей в аналоговых и цифровых радиолиниях.
Приведение в соответствие удельных показателей аналоговых и цифровых
систем осуществляется путем пересчета показателей эффективности р2, af
150
Глава 2. Теория телеметрии
цифровых систем в показатели эффективности р?и, а/и аналоговых систем.
Сделать это можно, если учесть, что любая выборка (измерение) передается
в цифровой радиолинии словом, длительностью Тю состоящим из m симво-
лов, имеющих одинаковую длительность тс = Т^т. При основании кода а
это обеспечивает М = ат уровней квантования.,
Удельный расход необходимой полосы частот на измерение в цифровой ра-
диолинии:
а,
f“4
=ЦТ„ =
Jog, а,
mre
= ma.f.
(2.111)
Удельный расход энергии на измерение в цифровой радиолинии:
РД = Е.' N, = Е, (log, М)/ N, = Р = log, М.	(2.112)
Вероятность аномальной погрешности в цифровой радиолинии - это веро-
ятность искажения хотя бы одного символа в слове:
Вероятность ошибки в бите с учетом (2.4.).’
р = а р = а Рлц
1 2(а-1) ошсим 2(а-1) т '
(2.113)
Сравнительный анализ цифровых и аналоговых радиолиний
Используя данный подход, сравним между собой нехудшие цифровые и дис-
кретно-аналоговые радиолинии с сигналами, например, КИМа-ЧМ и АИМ-
ЧМ, соответственно. Данные радиолинии наиболее полно отвечают требова-
ниям адекватности модели сравнения:
1.	Дискретный характер сигналов, то есть использование единого ме-
тода разделения сигналов - ВРК.
2.	Общий метод модуляции в радиоканале - ЧМ.
3.	Использование сигналов с большей базой (Б=&/Тк »1):
•	Б - а - в многоосновной радиолинии КИМа-ЧМ;
•	Б = &fTK^af=2$mp.K - в радиолинии АИМ-ЧМ (см. раздел 2.4).
4.	Общие закономерности в характере проявления аномальных по-
грешностей, а также погрешностей yw, ук. Тогда правомерность такого
сравнения обоснованна.
151
Современная телеметрия в теории и на практике
Воспользуемся результатами расчетов удельных расходов энергии и поло-
сы частот для аналоговых радиолиний, представленных в виде графиков
зависимостей 02в - 02в (ув, ук) и а/в = (ув, РА) приведенных на рис. 2.47
построенных в двойном логарифмическом масштабе.
Рис. 2.47. Графики зависимостей 02и = р2о ft, ,'tjHa.lu = alu fy*, PJ
Из рис. 2.47 видно, что в широком диапазоне изменения нормальных по-
грешностей удельный расход полосы частот а/в обратно пропорционален ув
и мало зависит от вероятности аномальной погрешности РА.
С другой стороны, требуемый расход энергии имеет противоположную тен-
денцию: в меньшей степени зависит от погрешностей ув и в большей степе-
ни - от вероятности Рл.
Полученные (с помощью рассмотренного выше алгоритма) результаты вы-
числения р2ич, а/вц для пяти семейств (М = 4; 16; 64; 256; 1024) цифровых
радиолиний с ортогональными сигналами приведены в табл. 2.5 и нанесены
на график, показанный на рис. 2.48 [9].
Таблица 2.5.
Параметры	а	П	а	а„	02и
М - 1024	2	10	2	20	95
у„ - 0,0282%	4	5	2	20	54
	32	2	6,4	64	24,6
Рл = 10-	1024	1	102,4	1024	20
152
Глава 2. Теория телеметрии
Таблица 2.5. {Продолжение)
Параметры	а	П	а	а„	
М = 256 уи = 0,113% Рл = 10'2	2	8	2	16	73,0
	4	4	2	16	39,2
	16	2	4	32	22,2
	256	1	32	256	14,4
	Аналоговая радиолиния 53,7	14,0				
М =64 Y„ = 0,45% Р - 102 А	2	6	2	12	51,3
	4	3	2	12	27,9
	64	1	10,7	64	12,3
	Аналоговая радиолиния 15,06	11,8				
М= 16 Г„=1.8% Рл = 102	2	4	2	8	31,6
	4	2	2	8	20,6
	16	1	4	16	10
	Аналоговая радиолиния 4,5	9,4				
М = 4 Т„ = 7,2% Рл-‘02		2	2	2	4	13,2
	4	1	2	4	7,2
	Аналоговые радиолинии 1,7	7,0				
Рис. 2.48. Результаты вычисления р2им,	для пяти семейств
(М = 4; 16; 64; 256; 1024)
Точки, принадлежащие к каждому семейству, соединены сплошными лини-
ями. В каждое семейство входят радиолинии с одинаковыми точностными
характеристиками: вероятность аномальной ошибки составляет РАЦ = 10*2,
153
Современная телеметрия в теории и на практике
шумы квантования для всех радиолиний каждого семейства одинаковы,
поскольку М фиксированно.
На рис. 2.48 в виде точек в кружке нанесены удельные показатели пяти
аналоговых радиолиний, имеющих те же точностные характеристики, что
и цифровые радиолинии упомянутых пяти семейств:
Анализ приведенных на рис. 2.48 результатов сравнения радиолиний позво-
ляет сделать следующие выводы:
1.	Двоичные радиолинии относятся к худшим системам по энергетике
и к лучшим по расходу полосы частот при точностях, определяемых
ун <1%. При невысоких требованиях к точности они проигрывают
аналоговым радиолиниям в расходе полосы примерно в два раза.
2.	Четверичные радиолинии, не уступая двоичным радиолиниям в расхо-
де полосы частот, выигрывают в энергетике примерно в два раза, что
составляет 3 дБ.
3.	Наилучшей в энергетическом плане среди цифровых радиолиний в
каждом семействе является радиолиния с высоким основанием кода
и одноразрядными словами.
4.	Аналоговые радиолинии экономичнее цифровых радиолиний своих
семейств примерно в т раз, то есть при т = 1 (независимо от основа-
ния а) они не имеют преимуществ в расходе энергии перед радиоли-
ниями с одноразрядными словами. В то же время аналоговые радио-
линии экономичнее одноразрядных цифровых радиолиний по
использованию полосы частот. Выигрыш колеблется от 3 до 5 раз.
5.	При высоких точностях измерений (М=256, 1024) аналоговые ра-
диолинии во всех случаях, кроме а = М, проигрывают цифровым в
использовании полосы частот.
6.	При средних точностях (М=64) аналоговые радиолинии сравнимы с
цифровыми радиолиниями по расходу полосы частот (кроме случа-
ев а = М).
7.	При низких требованиях к точности измерений (М=4; 16) аналого-
вые радиолинии превосходят цифровые как по энергетическому, так
и по частотному показателю (кроме случаев а = М). Применение при
этом цифровых радиолиний нецелесообразно.
154
Глава 2. Теория телеметрии
Таким образом, в теоретическом плане аналоговые радиолинии, в частности
дискретные, не уступают цифровым по энергетической и частотной эффек-
тивности, даже при высоких требованиях к точности измерений. Однако,
из-за технических трудностей реализации оптимального приема широко-
полосных аналоговых сигналов они не нашли широкого применения в вы-
сокоточных радиолиниях.
Современная телеметрия в теории и на практике
ЛИТЕРАТУРА К РАЗДЕЛУ 2
1.	ГОСТ 19619-74. Оборудование радиотелеметрическое. Термины и оп-
ределения.
2.	Белицкий В. И., Зверев Р. И., Морозов В. М. и др. Телеметрия. -Л.: МО
СССР, 1984. - 465 с.
3.	Мановцев А. П. Основы, теории радиотелеметрии,- М. Энергия, 1973.—
592 с.
4	Тепляков М- И. Радиотелеметрия. М.: Советское радио, 1966. - 311 с.
5.	Сафаров Р. Т, Буга Н.Н., Зверев Р. И., Шитов И. В. Радиотелеметрия.
4.1. Под ред. Р. Т. Сафарова. МО СССР, 1973. - 422 с.
"	6. Зверев Р. И., Шитов И. В. Основы радиотелеметрии. 4.1. МО СССР,
1978. -195 с.
7.	Белицкий В. И., Зверев В. И., Морозов В. М. и др. Телеметрия. МО
СССР, 1984. - 465с.
8.	Ольховский Ю. Б., Новосёлов О. Н., Мановцев А. П. Сжатие данных
при телеизмерениях. Под ред. В. В. 4ернова. Изд-во «Советское радио»,
1971 г - 304 с.
Глава 3.
Средства телеметрии
3.1.	ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
3.1.1.	Определения и основные характеристики
Устройство, преобразующее физический (телеметрируемый) параметр
(ТМП) в первичный электрический сигнал 5 (обычно напряжение, ток или
импеданс), называется датчиком. Датчик, в свою очередь, называют также
измерительным преобразователем, поскольку он представляет собой средс-
тво измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме,
удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хра-
нения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя [1].
Таким образом, здесь сигнал измерительной информации - это сигнал,
функционально связанный с измеряемой физической величиной или ТМП.
Совокупность операций, направленных на установление численного значе-
ния ТМП, составляет процесс телеизмерения. Если при измерении исполь-
зуются электронные средства обработки сигнала, необходимо сначала преоб-
разовать измеряемый параметр X в эквивалентную электрическую величину
5 (первичный сигнал), причем как можно точнее. Это значит, что полученная
электрическая величина должна содержать всю информацию об измеряемом
параметре s =/(Х/
Для всех датчиков характеристика преобразования - соотношение 5 = /(Х) -
в численной форме определяется экспериментально в результате градуи-
ровки, при проведении которой для ряда точно известных значений X изме-
ряют соответствующие значения s, что позволяет построить градуировочную
кривую 5 = /(Х}. Из этой кривой для всех полученных в результате измере-
ний значений 5 можно найти соответствующие значения искомой величины X.
Изменение условий функционирования датчика (температуры, давления,
перегрузки и т. д.) приводит к изменению f(k) . Это отражается в паспор-
тных данных, где приводятся характеристики с учетом условий работы дат-
чика.
158
Г лава 3. Средства телеметрии
Различают характеристики датчиков для статического и динамического
режимов их работы [1].
Статическими характеристиками датчика являются:
•	s = f(k), имеющая вид графика или таблицы. Эта характеристика на-
зывается градуировочной или тарировочной;
•	коэффициент преобразования или чувствительность,
где As и ДА - приращение сигнала и параметра соответственно;
•	порог чувствительности (разрешающая способность) датчика, под ко-
торым понимается минимальное изменение параметра А, вызываю-
щее изменение выходного сигнала и превышающее уровень соб-
ственных шумов датчика.
/
Для удобства измерений датчик стараются построить или по крайней мере
использовать таким образом, чтобы существовала линейная зависимость
между малыми приращениями выходной As и входной АХ величин. As = к АХ.
Большое значение имеют динамические свойства датчика, которые харак-
теризуются инерционностью. Для экспериментального определения ди-
намических свойств датчика применяются стандартные типовые входные
воздействия. По реакции на выходе датчика судят о его инерционных свойс-
твах Чаще всего применяются входные воздействия типа функций включе-
ния или гармонические сигналы. Важными параметрами датчика являются
амплитудно-частотная А (со) и фазочастотная <?(<£)) характеристики
Характеристиками датчиков являются также диапазон измерений, надеж-
ность, габариты и масса, потребляемая мощность и др Выбирая тип датчи-
ка, нельзя забывать об условиях его работы: диапазоне изменений окружа-
ющей температуры, механических воздействиях (вибрациях, перегрузках),
действии электрических и магнитных полей и радиации, диапазоне измене-
ний атмосферного давления и др.
3.1.2.	Классификация телеметрических датчиков
Телеметрические датчики принято классифицировать:
•	По физическому параметру, преобразуемому в электрический
сигнал, классификация датчиков весьма многообразна Чаще всего
наименование датчика согласуется с измеряемой физической вели-
чиной (например, датчик давления).
159
Современная телеметрия в теории и на практике
•	По форме сигналов различают датчики функциональных и сигналь-
ных параметров.
•	По характеру электрических сигналов датчики подразделяются
на датчики постоянного и переменного тока.
•	По величине выходного электрического сигнала различают датчики
сигнала высокого (0-6В) и низкого уровня (0-100 мВ). Наряду с од-
нодиапозонными датчиками в ряде случаев используются многодиа-
пазонные датчики, которые позволяют охватывать более широкие
пределы изменения контролируемого параметра.
•	По форме представления сигнала датчики делятся на аналоговые
и цифровые.
•	В зависимости от метода преобразования неэлектрических ве-
личин в электрические сигналы различают активные (генератор-
ные) и пассивные (параметрические) датчики. Различие между
активными и пассивными датчиками обусловлено их эквивалент-
ными электрическими схемами, отражающими фундаментальные
отличия в природе используемых в датчиках физических явле-
ний. Активный датчик является источником непосредственно вы-
даваемого электрического сигнала, а измерение изменений пара-
метров импеданса пассивного датчика производится косвенно, по
изменению напряжения или тока в результате его обязательного
включения в схему с внешним источником питания. Электричес-
кая схема, непосредственно связанная с пассивным датчиком,
формирует его сигнал, и, таким образом, совокупность датчика и
этой электрической схемы является источником электрического
сигнала.
3.1.3.	Активные датчики
Принцип действия активного датчика основан на томили ином физическом
явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой
величины в электрическую энергию. Наиболее важные из этих физических
явлений указаны в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Физические эффекты, используемые для построения активных
датчиков
Измеряемая величина	Используемый эффект	Выходная величина
Температура	Термоэлектрический эффект	Напряжение
160
Глава 3. Средства телеметрии
Таблица 3.1. (Продолжение), Физические эффекты, используемые для пост-
роения активных датчиков
Измеряемая величина	Используемый эффект	Выходная величина
Ноюк оптического излучения	Пироэлектрический эффект Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в полупроводнике с р-п переходом Фотоэлектромагнитный эффект	Заряд Ток Напряжение Напряжение
Сила, давление, ускорение	Пьезоэлектрический эффект	Заряд
Скорость	Электрома! нитная индукция	Напряжение
Перемещение	Эффект Холла	Напряжение
3.1.4.	Пассивные датчики
В пассивных датчиках некоторые параметры выходного импеданса могут
меняться под воздействием измеряемой величины. Импеданс датчика, с од-
ной стороны, обусловлен геометрией и размерами его элементов, а с другой -
свойствами материалов: удельным сопротивлением, магнитной проницае-
мостью и диэлектрической постоянной.
Изменения импеданса могут быть, таким образом, вызваны воздействием
измеряемой величины либо на геометрию и размеры элементов датчика,
либо на электрические и магнитные свойства его материала, либо, что реже,
на то и на другое одновременно. Геометрические размеры датчика и пара-
метры его импеданса могут изменяться, если датчик содержит подвижный
или деформирующийся элемент.
Каждому положению подвижного элемента датчика соответствует опреде-
ленный импеданс, и измерение его параметров позволяет узнать положение
элемента. На этом принципе работает большое число датчиков положения
и перемещения объектов: потенциометрических, индуктивных с подвиж-
ным сердечником, емкостных.
Деформация является результатом действия силы (или величины, с ней
связанной, - давления, ускорения) на чувствительный элемент датчика.
Изменение импеданса датчика, вызванное деформацией чувствительного
элемента, вызывает изменение соответствующего электрического сигнала
в специальной измерительной схеме, в которую этот датчик.включают.
Электрические свойства материала и состояние чувствительного элемента
датчика зависят от переменных физических величин: температуры, давления,
6 Зак 861
161
Современная телеметрия в теории и на практике
влажности, освещенности и т. д. Если меняется только одна из величин, а ос-
тальные поддерживаются постоянными, то можно оценить существующее
однозначное соответствие между значениями этой величины и импедансом
датчика. Это соответствие описывается градуировочной кривой. Зная граду-
ировочную кривую, по результатам измерения импеданса можно определить
соответствующее значение измеряемой величины.
В табл. 3.2. указан ряд физических эффектов, связанных с преобразовани-
ем значений электрических характеристик пассивных датчиков. Среди них
нужно отметить резистивные датчики.
Таблица 3.2. Физические принципы преобразования величин и материалы,
используемые для построения пассивных датчиков
Измеряемая величина	Электрическая характе- ристика, изменяющаяся под действием измеряемой величины	Тип используемых материалов
Температура	Сопротивление	Металлы (платина, никель, медь), полупроводники
Сверхнизкие температуры	Диэлектрическая проницаемость	Стекло, керамика
Поток оптического излучения	Сопротивление	Полупроводники
Деформация	Сопротивление	Сплавы никеля, легированный кремний
Емкость	Магнитная проницаемость	Ферромагнитные сплавы
Перемещение	Сопротивление	Магниторезистивные мате- риалы висмут, антимонид индия
Влажность	Сопротивление Диэлек грическая проницаемость	Хлористый литий, окись алюминия, полимеры
Уровень	Диэлектрическая проницаемость	Жидкие изоляционные материалы
Импеданс пассивного датчика и его изменения можно измерить не иначе,
как включая датчик в специальную электрическую схему, содержащую ис-
точник питания и схему формирования сигнала. Наиболее часто использу-
ются измерительные схемы следующих видов:
•	потенциометрическая схема, содержащая соединенные параллельно
источник напряжения и датчик-потенциометр;
162
Глава 3. Средства телеметрии
•	мостовая схема, разбаланс которой характеризует изменение импе-
данса датчика;
•	колебательный контур, включающий в себя импеданс датчика
(при этом контур является частью генератора колебаний и опреде-
ляет его частоту);
•	операционный усилитель, в котором импеданс датчика является
одним из элементов, определяющих коэффициент усиления.
Выбор схемы формирования сигнала является важным этапом в реализа-
ции измерений, от которого зависят метрологические характеристики теле-
метрических комплексов в целом - погрешность, чувствительность, линей-
ность, невосприимчивость к влиянию определенных величин.
3.1.5.	Комбинированные датчики
При измерениях некоторых неэлектрических величин не всегда удается
преобразовать их непосредственно в электрическую величину. В этих слу-
чаях осуществляют двойное преобразование исходной (первичной) изме-
ряемой величины в промежуточную неэлектрическую величину, которую
преобразуют затем в выходную электрическую величину. Совокупность
двух соответствующих измерительных преобразователей образует комби-
нированный датчик.
Подобные преобразования удобны для измерения механических величин,
вызывающих в первичном преобразователе деформацию или перемещение
выходного элемента, к которым чувствителен вторичный преобразователь.
Давление, например, можно измерить с помощью мембраны, служащей пер-
вичным преобразователем, деформация которой преобразуется в электри-
ческую величину датчиком, реагирующим на механическое смещение. Так
мембрана электродинамического микрофона является первичным преоб-
разователем, деформация которой, вызванная воздействием акустического
давления, преобразуется в соответствующий электрический сигнал.
Если механические напряжения в первичном преобразователе не превыша-
ют предел упругости, то его характеристика линейна. Характеристику пре-
образования датчика в целом определяют путем градуировки.
3.1.6.	Влияющие величины
Датчик в определенных условиях эксплуатации может подвергаться воздейс-
твию не только измеряемой величины,’ но и других физических величин,
163
Современная телеметрия в теории и на практике
именуемых влияющими, к которым чувствителен датчик. Вариации этих пара-
зитных воздействий могут привести к изменениям выходного электрического
сигнала датчика и появлению соответствующей погрешности измерений.
Основными физическими величинами, влияющими на погрешность датчи-
ков, являются:
•	температура, которая изменяет электрические и механические ха-
рактеристики датчика, а также размеры составляющих его деталей;
•	давление, ускорение и вибрация, вызывающие в определенных эле-
ментах датчиков деформации и напряжения, изменяющие их чувст-
вительность;
•	влажность, которая может вызвать изменение определенных элект-
рических характеристик элементов, таких как диэлектрическая про-
ницаемость и удельное сопротивление, вследствие чего возникает
опасность нарушения электрической изоляции между отдельными
конструктивными элементами датчика (либо между датчиком и
окружающей средой);
•	постоянное или переменное магнитное поле, индуцирующее в про-
водниках э.д.с., которая накладывается на полезный сигнал, и изме-
няющее электрические характеристики некоторых чувствительных
элементов, например удельное сопротивление магниторезисторов;
•	изменение параметров напряжения питания - его амплитуды и час-
тоты.
Если обозначить величины, влияющие на датчик, через gr g2..., то связь
между выходным электрическим сигналом 5 и измеряемой величиной X, ко-
торая в идеальном случае выражается как:
S = Ж>.
преобразуется к виду:
Для того, чтобы в этом случае определить измеряемую величину по выход-
ному сигналу датчика без внесенной влияющими величинами погрешнос-
ти, необходимо:
•	либо снизить значения влияющих величин соответствующей защи-
той датчика, используя, например, антивибрационное основание,
магнитные экраны и др.;
•	либо стабилизировать влияющие величины и градуировать датчик
для этих условий, используя, например, термостат, источник стаби-
лизированного напряжения питания и др.;
164
Глава 3. Средства телеметрии
•	либо использовать такую схему, которая позволила бы скомпенси-
ровать влияние паразитных величин, например «моста Уитстона»
с двумя одинаковыми датчиками, один из которых предназначен
для измерений, а второй - для компенсации погрешности, вызван-
ной влияющими факторами.
3.2.	КАНАЛЫ И ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
3.	2.1. Общие сведения о каналах и линиях передачи
ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
В системах информационно-телеметрического обеспечения передача
данных телеизмерений осуществляется по направлениям и сетям связи.
В первом случае (рис. 3.1а), характерном в основном для ранних телемет-
рических систем, обычно используется радиоканал прямой видимости
(или кабельная линия), связывающий объект телеизмерения ОТ с аппа-
ратурой регистрации информации АР.
Во втором случае (рис. 3.16), характерном для телеконтроля параметров ле-
тательных аппаратов и других подвижных объектов, перемещающихся от-
носительно поверхности Земли в широком диапазоне дальностей и скоро-
стей, передача информации ведется по радиоканалу и далее по сети связи,
часто имеющей глобальные масштабы.
Рис. 3.1. Топология телеметрических сетей
165
Современная телеметрия в теории и на практике
При этом обеспечивается оперативная доставка информации практически
в реальном масштабе времени на расстояние в несколько сотен или тысяч
километров. Высокая надежность передачи данных достигается благодаря
использованию в сети обходных линий связи, а также разнесенного приема
радиосигналов.
Пространственный и поляризационный разносы дают возможность уст-
ранить замирания сигнала и прерывания связи с объектом телеизмерения.
Следует заметить, что значительный пространственный разнос пунктов
приема приводит к необходимости сведения несинхронных потоков инфор-
мации в процессе их обработки с помощью сигналов единого времени.
Характерной особенностью сетей связи, используемых для сбора телемет-
рической информации с пунктов приема, является применение в них со-
ставных каналов радио-, радиорелейной и кабельной связи, соединенных
узлами автоматической коммутации. Проблема трансляции информации
усложняется не только из-за разнообразия физической природы и свойств
отдельных линий связи, но и вследствие различия принципов, лежащих в ос-
нове построения систем передачи и систем коммутации информации.
Как известно, работа систем передачи данных телеизмерений основана
на коммутации сообщений, а работа узлов сети связи - на коммутации ка-
налов, обычно имеющих вид физически обособленных электрических це-
пей. Таким образом, на данном этапе развития техники связи невозможно
рассматривать способы передачи информации и уплотнения телеметричес-
ких линий без учета особенностей построения сетей связи и управления
в них информационными потоками.
В общем случае к каналам передачи телеметрической информации предъ-
являются следующие требования:
а)	возможность осуществления многоканальной передачи большого чис-
ла различных параметров с высокой точностью;
б)	обеспечение высокой пропускной способности и достоверности пере-
дачи данных;
в)	удобство сопряжения линий связи между собой, с аппаратурой автома-
тической коммутации и аппаратурой обработки данных;
г)	возможность использования существующих сетей связи для трансля-
ции данных телеизмерений;
д)	обеспечение высоких эксплуатационных и экономических, в т. ч. удель-
ных, показателей.
Следует заметить, что большая часть существующих многоканальных ли-
ний, радио-, радиорелейной и кабельной связи общего назначения создана
166
Глава 3. Средства телеметрии
на основе частотного разделения каналов и стандартных телефонных ка-
налов с возможностью их объединения для передачи цифровых данных
с большой скоростью или дополнительного уплотнения телеграфными ка-
налами малой производительности. При частотном разделении сигналов
в магистральных линиях связи наблюдается достаточно высокий уровень
межканальных помех, существенно превышающий допустимый уровень
для передачи телеметрической информации. По этой причине возникает
необходимость применения различных мер для повышения достоверности
передачи, основанных на сокращении избыточности передаваемых теле-
метрических сообщений, использовании корректирующих кодов, канала
обратной связи и ряда других средств.
Таким образом, вопросы рационального построения каналов передачи и транс-
ляции телеметрической информации требую! единого системного подхода.
Это позволяет не только исключить ряд ненужных преобразований сигналов
в отдельных звеньях общей транзитной цепи, которые наблюдались в ранних
телеметрических системах, но и обоснованно определить требования к каждо-
му из них.
В этой связи существенно отметить внедрение в сетях связи цифровых
многоканальных систем с временным разделением сигналов и передачей
всех видов информации (от телефонных сообщений до программ цветного
телевидения) в единой цифровой форме. Их использование обеспечивает:
•	повышение показателей существующих линий связи для обеспече-
ния многоканальной дискретной передачи информации с высокой
достоверностью;
•	создание цифровых интегральных сетей связи, в которых передача
и коммутация сигналов осуществляется в единой цифровой форме;
•	уплотнение низкочастотных проводных каналов, имеющих сравни-
тельно низкое сопротивление изоляции, а также перспективных све-
товолоконных линий;
•	широкое использование достижений микроэлектроники.
В настоящее время превосходство цифровых каналов над аналоговыми
в большинстве случаев следует считать бесспорным (даже при передаче от-
носительно быстро меняющихся телеметрических параметров).
Радио-, радиорелейные линии и коаксиальные кабели в состоянии обеспе-
чить передачу информации в полосе частот 3-5 МГц и более, а современные
волоконно-оптические линии связи в полосе частот до нескольких десятков
ГГц. Следует также иметь в виду, что цифровые системы хотя и требуют
использования широкополосных линий связи, однако обладают малыми
удельными расходами полосы частот и мощности на передачу одного бита
информации в секунду.
167
Современная телеметрия в теории и на практике
В заключение отметим, что помехи в каналах передачи телеметрической
информации, особенно в составйых каналах, имеют сложный характер. Од-
нако в большинстве случаев для инженерных расчетов полагают, что в ра-
диолиниях УКВ-помехи имеют вид, близкий к гауссову шуму. В кабельных
линиях флуктуационные шумы малы, главное значение имеют импульсные
помехи, обусловленные работой коммутационной аппаратуры.
3.	2.2. Проводные линии связи
Общая информация
Проводные линии связи используются для передачи информации с непо-
движных и малоподвижных объектов телеизмерений, а также для ее транс-
ляции по сетям связи.
Наибольшее распространение получили кабельные и волоконно-оптичес-
кие линии связи, которые характеризуются широкой полосой пропуска-
ния, малым уровнем помех, устойчивостью и большой дальностью связи.
Вместе с радиорелейными линиями и аппаратурой автоматической коммута-
ции они составляют основу Единой автоматизированной сети связи страны.
По проводным линиям связь организуется на тональных (звуковых) и вы-
соких (f > 4 кГц) частотах. Телеграфная и телефонная связь на тональных
частотах отличается простотой, однако имеет малую дальность.
Высокочастотная связь обычно является многоканальной и обеспечивает
дальность до 10000 км. Она строится преимущественно на основе часто-
тного уплотнения линий связи и стандартных телефонных каналов (СТК)
с использованием однополосной модуляции. Ширина СТК принимается
равной 3,1 кГц (от 0,3 до 3,4 кГц).
Промежутки шириной 0,3 и 0,6 кГц ниже и выше разговорных частот исполь-
зуются для передачи сигналов вызова, набора номера и взаимодействия ус-
тройств коммутации, а также сигналов контрольных частот, используемых
для контроля и регулировки линейного тракта. При необходимости в СТК
может размещаться до 24 стандартных телеграфных каналов со скоростью
телеграфирования 50-70 Бод (бит/с) и полосой 120-140 Гц.
Путем объединения СТК можно создавать широкополосные каналы для пе-
редачи данных и другой информации. Проводные линии связи обеспечивают
передачу сигналов в широкой полосе частот. Они разделяются на воздушные
и кабельные.
Воздушные линии связи (ЛС) имеют малую стоимость, большой срок службы,
но сравнительно низкую граничную частоту (100-150 кГц). Воздушные Л С
168
Глава 3. Средства телеметрии
из цветных металлов уплотняются по частоте до 30 кГц для получения четырех
СТК или до 150 кГц для получения шестнадцати СТК.
Так как телефонная связь является дуплексной, то для каждой пары або-
нентов выделяются две полосы. В области тональных частот размещается
двухполосный служебный телефонный канал (ДПС).
Симметричные и коаксиальные кабельные линии связи
Кабельные линии связи разделяются на симметричные и коаксиальные.
Симметричные кабели содержат ряд симметричных цепей из двух изоли-
рованных и определенным образом скрученных проводов.
Симметрия по отношению к оболочке кабеля и другим проводам обеспе-
чивает эффективную развязку электрических цепей и повышает механи-
ческую прочность кабеля. Симметричные магистральные ЛС позволяют
организовать до нескольких сотен СТК. (табл. 3.3)
Таблица 3.3. Симметричные и коаксиальные кабельные линии связи
Аппаратура уплотнения	Полоса частот	Длина усилительного участка, км	Максимальная дальность связи, км
Коаксиальный стандартизованный кабель 2,6\9,4			
К-900	0,3-4 МГц	9	5000
К-1920	0,3-8,5 МГц	6	5000
К-2700	0,3-12 МГц	4,5	5000
К-3600	0,3-17 МГц	3	5000
Коаксиальный малогабаритный кабель 1,2/4,4			
К-300	0,06-1,3 МГц	6	2500
К-900	0,06-4 МГц	3	2500
Симметричный магистральный кабель			
К-12	12-60 КГц	50	10000
К-24	12-108 КГц	40	10000
К-60	12-252 КГц	20	10000
К-120	12-552 КГц	15	10000
Кабели внутризоновой связи			
К-3	0,3-26,3 кГц	16	16
КНК-6С	16-60 кГц	16	64
КРР-30/60	12-552 кГц	10	80
ИКМ-12	800 кГц	5-7	80
ИКМ-24	1500 кГц	2-3	80
К_ 120	1317 кГц	10	600
169
Современная телеметрия в теории и на практике
Коаксиальные кабельные линии предназначены для организации несколь-
ких сотен и тысяч СТК, передачи данных и телевизионных программ. Коак-
сиальный кабель представляет собой проводник, помещенный в цилиндри-
ческую трубку, которая является вторым проводником. Между центральным
проводником и трубкой устанавливаются шайбы из диэлектрика. Типовые
коаксиальные кабели изготавливаются с двумя и четырьмя коаксиальными
парами. Особым видом коаксиальных кабелей являются фидерные кабели
для радиочастот.
Дискретные каналы проводных ЛС создаются на основе физически обособ-
ленных цепей и каналов, уплотненных по частоте. Физическая цепь, напри-
мер кабельная пара, позволяет использовать сигналы-переносчики (посыл-
ки) постоянного и переменного тока. Посылки постоянного тока широко
используются только в телеграфных каналах малой протяженности.
Биполярные посылки позволяют увеличить дальность связи, однако всего
на 30-35%. Дискретные каналы дальней связи реализуются в настоящее
время главным образом за счет посылок переменного тока в полосе СТК.
Подтональное (на частотах ниже 300 Гц) и надтональное (на частотах
выше 3,4 кГц) телеграфирование используется сравнительно редко.
Варианты передачи цифровых данных (данных телеизмерений)
Высокоскоросгные системы передачи данных строятся па основе частотных
полос нескольких СТК или групповых спектров. Рассмотрим основные
варианты передачи цифровых данных (данных телеизмерений), рекомен-
дуемые МККТТ.
1.	Двусторонняя одновременная передача данных методом ЧМ по
двухпроводному высокочастотному СТК со скоростью 200 Бод
(fd = 980rn, fB1= 1180 Гц, fi2- 1650 Гц, f}2 = 1850 Гц).
2.	Односторонняя передача данных методом ЧМ по двухпроводно-
му высокочастотному СТК со скоростью 600 или 1200 Бод и слу-
жебной информации со скоростью 75 Бод (f (1 = 380 Гц, fB1 = 450 Гц,
ft2 = 1300 Гц, fi2= 1700 Гц при ит = 600 Бод или fi2= 2300 Гц при
ит= 1200 Бод). Служебный канал занимает полосу 0,3-0,5 кГц
и может быть использован для решающей обратной связи.
3.	Двусторонняя одновременная передача данных методом дву-
кратной или трехкратной относительной фазовой манипуляции
(ОФМ) при и = 2400-4800 бит/с или и = 3600-7200 бит/с, соот-
ветственно, при использовании четырехпроводных прямых высо-
кочастотных СТК со скоростью 1200-2400 Бод. Предусмотрена
170
Глава 3. Средства телеметрии
также возможность использования восьмеричного сигнала с амп-
литудно-фазовой модуляцией АФМ4_2-ОМ, то есть AM сигнала
с четырьмя градациями амплитуды сигнала, ФМ с фазами 0 и 180°
и однополосной модуляции. При этом обеспечивается скорость
передачи информации 9600 бит/с.
4.	Двусторонняя одновременная передача данных при использова-
нии высокочастотных первичных групповых трактов высокочас-
тотной связи (60-108 кГц). Применение ЧМ обеспечивает ско-
рость 48 кбит/с, а двукратной ОФМ - 96 кбит/с.
Таким образом, существующая аппаратура может использоваться для пере-
дачи в реальном масштабе времени лишь данных телесигнализации и огра-
ниченных объемов телеметрической информации.
Более перспективными представляются высокоскоростные методы пере-
дачи данных, основанные на использовании групповых трактов и волокон-
но-оптических линий связи. При этом высокоскоростная передача данных
лучше всего реализуется в интегральных цифровых системах, где все виды
информации передаются в цифровой форме.
Благодаря широкому внедрению волоконно-оптических технологий корен-
ным образом изменяется вся инфраструктура сетей связи, на много поряд-
ков возросла пропускная способность систем передачи, в особенности
магистральных, увеличилась их протяженность. Для реализации и макси-
мального использования возможностей, предоставляемых этими техно-
логиями, Международным комитетом по электросвязи - МСЭ-Т (ITU-T)
разработана следующая классификация иерархий скоростей цифрового
метода передачи информации (синхронная цифровая иерархия (СЦИ,
или SDH в английском варианте) - СТМ-1, СТМ-4, СТМ-16, СТМ-64,
СТМ-256 (табл. 3.4.), а также новые протоколы передачи информации, ме-
тоды уплотнения оптических каналов и технические средства реализации
этих методов.
Таблица 3.4. Классификация иерархий скоростей цифрового метода передачи
Уровень СЦИ	Коэффициент потерь, дБ/км	Скорость передачи, Мбит/с	Максимальная длина регенерацион- ных участков, км
СТМ-1	менее 0 2	155	1000-1500
СТМ-4	менее 0 2	622	1000-1500
СТМ-16	менее 0 2	2500	1000-1500
СТМ-64	менее 0.2	10000	1000-1500
СТМ-256	менее 0.2	40000	1000-1500
171
Современная телеметрия в теории и на практике
3.3.	ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
3.3.1.	Принцип частотного разделения каналов
В телеметрических системах с частотным разделением каналов (ЧРК) каж-
дому каналу отводится своя полоса частот, не перекрывающаяся с соседней.
Как видно на рис. 3.2, первому каналу отводится полоса частот AF1 = F2-Fp
второму каналу отводится полоса частот AF2= F4-F3 и т. д. Передача инфор-
мации ведется одновременно по всем N каналам. Для разделения информа-
ционных сигналов достаточно иметь полосовые фильтры в соответствии
с проведенным рассечением общей полосы на канальные полосы.
Рис. 3.2. Распределение каналов при ЧРК
Частотное разделение в системах телеметрии осуществляется в видео-
тракте. При этом используется N гармонических колебаний, разнесенных
по частотной оси и модулированных информационными сигналами.
В информационно-телеметрических системах (ИТС), являющихся, как
правило, системами с двухступенчатой модуляцией, суммарный сигнал ге-
нераторов поднесущих колебаний используется далее для модуляции гене-
ратора несущих колебаний. В системах проводной телеметрии с ЧРК гене-
ратор несущих колебаний может отсутствовать.
Видеосигнал, несущий информацию всех каналов, принято называть груп-
повым, а те части видеосигнала, которые переносят информацию отдельных
172
Глава 3. Средства телеметрии
каналов - канальными. Общая полоса частот, занимаемая групповым видео-
сигналом, равна сумме полос отдельных каналов, то есть:
N
1=1
Ширина спектра частот каждого канала зависит от вида модуляции подне-
сущих колебаний и ширины спектра частот первичных сигналов, передава-
емых по этим каналам. Для уменьшения влияния соседних каналов спектры
частот поднесущих колебаний разносятся так, чтобы между ними имелась
некоторая неиспользуемая полоса частот AF3, называемая защитной.
Следует заметить, что изложенное выше касается идеального принципа
частотного разделения каналов, когда сигнал каждого из них имеет огра-
ниченную полосу частот и разделительный фильтр на приемной стороне
выделяет только эту полосу. Реальные сигналы ограничены во времени,
поэтому имеют бесконечный спектр. Отсюда возникает необходимость
ограничения спектра передаваемых сигналов, что приводит к искажению их
формы и взаимному влиянию каналов.
3.3.2.	Структурная схема информационно-телеметрической
системы с ЧРК
Структурная схема информационно-телеметрической системы (ИТС) с
ЧРК приведена на рис. 3.3. На передающей стороне (рис. 3.3а) имеются:
датчики (Д), усилительно-согласующие устройства (СУ), канальные моду-
ляторы (КМ), генераторы поднесущих колебаний (ГПК), полосовые филь-
тры (ПФ), суммирующее устройство (Е), вторичный модулятор (ВМ) и ге-
нератор несущих колебаний (ГНК).
В состав приемно-регистрирующего устройства входят: усилители высокой
и промежуточной частот (УВЧ, УПЧ), первичный демодулятор, полосо-
вые фильтры, канальные демодуляторы (КД), регистрирующие устройства
(РУ) и генератор меток времени (ГМВ).
Система работает следующим образом.
Сигналы датчиков подаются на входы канальных модуляторов через уси-
лительно-согласующие устройства, которые выполняют функции усиления
сигналов до стандартного значения, преобразования напряжения перемен-
ного тока в напряжение постоянного тока, а также функции согласования
выходных сопротивлений датчиков с входными сопротивлениями инфор-
мационных каналов. С помощью канальных модуляторов осуществляется
амплитудная, частотная или фазовая модуляции колебаний ГПК. Полосовые
173
Современная телеметрия в теории и на практике
фильтры предназначены для ограничения спектров модулированных коле-
баний до заданных значений (с учетом возникающих за счет этого искаже-
ний). В суммирующем устройстве производится линейное сложение видео-
сигналов каждого канала. Суммарный (групповой) сигнал подается на вход
вторичного модулятора, с помощью которого производится модуляция не-
сущих колебаний ГНК.
В передающем устройстве может осуществляться амплитудная (AM),
балансная (БМ), однополосная (ОМ), частотйая (ЧМ) или фазовая (ФМ)
модуляция.
Таким образом, с учетом модуляции на первой и второй ступени могут быть
построены следующие радиотелеметрические системы с ЧРК: АМ-АМ,
АМ-ЧМ, АМ-ФМ, ЧМ-АМ, ЧМ-ЧМ, ЧМ-ФМ, АМ-ОМ, ЧМ-ОМ, ФМ-
ОМ, ФМ-АМ, ФМ-ЧМ, ФМ-ФМ и др.
Рис. 3.3. Структурная схема ИТС с ЧРК: а) передающий тракт; б) приемный тракт
По поводу последних четырех видов модуляции заметим следующее. Фазо-
вая модуляция поднесущих колебаний менее удобна по сравнению с AM и
ЧМ, так как для передачи постоянной составляющей, которая может при-
сутствовать в исходном сигнале, потребуется дополнительный канал опор-
ного напряжения, с помощью которого можно было бы обнаружить посто-
янный фазовый сдвиг.
В приемном устройстве (рис. З.З.б) осуществляется усиление принимаемых
колебаний, их демодуляция и разделение по каналам. В качестве селекторов
174
Глава 3. Средства телеметрии
канальных сигналов используются полосовые фильтры. На выходе каждого
канального демодулятора получается изменяющийся во времени сигнал,
который в идеальном случае соответствует сигналу датчика. В регистриру-
ющих устройствах принятые сигналы могут быть записаны в виде непре-
рывных кривых на фотопленку, магнитную ленту, фотобумагу и т. д.
В системе предусмотрена периодическая калибровка каналов, которая может
осуществляться подачей калибрационных напряжений на входы информа-
ционных каналов. Такой метод обладает тем недостатком, что при измерении
сравнительно быстро меняющихся параметров возможна потеря информа-
ции в момент передачи калибрационных уровней. Если все каналы РТС
идентичны, то для передачи калибрационных сигналов может быть выделен
один канал, который на структурной схеме показан штриховой линией.
Рис. 3.4. Дополнительная коммутация каналов
С целью привязки принимаемой информации ко времени на регистриру-
ющие устройства подаются метки времени, вырабатываемые генератором
меток времени (ГМВ). Сигналы точного времени могут вводиться и извне.
Наряду с частотным разделением каналов возможно построение систем
с комбинированным (частотно-временным) разделением каналов.
С целью увеличения количества контролируемых параметров отдельные
датчики, измеряющие медленно меняющиеся процессы, могут группами
подключаться к одному каналу через программно-коммутирующие уст-
ройства (ПКУ). В этом случае на входы канальных модуляторов подаются
сигналы указанных датчиков, разделенные во времени. Коммутация, струк-
турная схема которой приведена на рис. 3.4, применяется для однотипных
датчиков, имеющих достаточно высокое выходное напряжение. Систему
с использованием программного коммутатора на входе информационно-
го канала обозначают АИМ-ПМ-ПМ, где ИМ - произвольный (AM, ЧМ
или ФМ) вид модуляции.
175
Современная телеметрия в теории и на практике
На рис. 3.5 приведена схема коммутации выходных сигналов генераторов
поднесущих колебаний, обозначаемая АМ-АИМ-ПМ. Такая система может
использоваться при наличии разнотипных генераторов поднесущих коле-
баний или датчиков и при малом уровне выходных сигналов датчиков.
Рис. 3.5. Дополнительная коммутация поднесущих
3.4.	РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ВРЕМЕННЫМ
РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
3.4.1.	Принцип временного разделения каналов
Принцип временного разделения каналов (ВРК) иллюстрируется упро-
щенной схемой (рис. 3.6). В бортовой аппаратуре механический коммута-
тор, вращаемый мотором, поочередно подключает датчики Д1, Д2, ... , ДМ
на вход формирователя телеметрического кода. В процессе коммутации по-
лучаются сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). Величина
амплитуды импульсов равна величине сигнала датчика во время подключе-
ния его к общему тракту. Таким образом, на входе кодера действует АИМ-
сигнал, содержащий импульсы всех М информационных каналов (рис. 3.7).
Бортрвая аппаратура
Наземная аппаратура
Рис. 3.6. Упрощенная схема ИТС и ВРК
176
Глава 3. Средства телеметрии
Передача сигналов датчиков происходит дискретно во времени. При враще-
нии подвижного контакта коммутатора производится последовательный «оп-
рос» датчиков. Частота, с которой производится «опрос» одного датчика, на-
зывается частотой опроса Fo. Она связана с периодом опроса соотношением:
Последовательность сигналов, соответствующих одному циклу опроса всех
датчиков, называется кадром или циклом. Время Тк (рис. 3.7.а), отводимое
в кадре для передачи информации одному каналу, называется канальным
интервалом. Для передачи измерительной информации отводится лишь
часть канального интервала, называемая измерительным интервалом Ти; ос-
тальные части канального интервала Тз, называемые защитными (рис. 3.7.6),
используются для того, чтобы на приемной стороне можно было разделить
каналы.
Кодер телеметрического сообщения преобразует сигналы с АИМ в более
помехоустойчивые, чем АИМ, аналоговые или цифровые сигналы. К ана-
логовым сигналам относятся импульсы, модулированные по длительнос-
ти, или, что то же самое, по ширине (ДИМ, или ШИМ), и по временному
положению, или, что то же самое, по фазе появления импульса (ВИМ,
или ФИМ).
При ДИМ в зависимости от величины передаваемого параметра изме-
няется длительность х импульса (рис. 3.8а). При этом положение одного
из фронтов может быть фиксировано. При ВИМ в зависимости от вели-
чины параметра изменяется фаза появления импульса т относительно
опорной точки, часто обозначаемой опорным импульсом (0 на рис. 3.8в).
Шкала L параметра соответствует временной шкале Тш положения изме-
рительного импульса (И).
177
Современная телеметрия в теории и на практике
SZA
ДИМ(ШИМ)
ДИМ-ЧМ
SEA
б)
ВИМ-АМ
UA
г)
ул	КИМ-ФМ(©=Л
Рис. 3.8. Преобразование сигналов на первой и второй ступенях модуляции
При цифровых методах передачи величина параметра преобразуется в циф-
ровой-код, или сигнал с кодоимпульсной модуляцией (КИМ). Чаще других
используется двоичный код (рис. 3.8д). Цифровая запись отсчета в каналь-
ном интервале часто называется словом.
Сигналы с выбранной импульсной модуляцией, снимаемые с выхода коде-
ра, используются для модуляции высокочастотных колебаний передатчика
178
Глава 3. Средства телеметрии
(по амплитуде, частоте, фазе). Первая ступень модуляции осуществляется
в кодере, вторая - в передатчике. Сигнал в радиолинии обозначается в соот-
ветствии с видом модуляции на первой и второй ступенях: ДИМ-ЧМ,
ВИМ-АМ, КИМ-ФИМ и т. д. (рис. 3.8.6, г, е).
Принятые приемником сигналы детектируются. Для этого используются
детекторы, соответствующие виду модуляции на второй ступени: AM -
амплитудный, ЧМ - частотный, ФМ - фазовый. В приемнике, таким обра-
зом, производится первая ступень демодуляции.
Вторая ступень демодуляции осуществляется декодером телеметрическо-
го сообщения. Часто в регистраторах записываются сигналы с ВИМ, КИМ
и т. п.; в этих случаях вторая ступень модуляции отсутствует.
Синхронность и синфазность вращения коммутаторов бортовой и назем-
ной аппаратуры обеспечивает разделение каналов и достигается за счет
передачи специальных синхронизирующих сигналов, которые управля-
ют работой генератора, задающего скорость и фазу вращения вала мотора
в наземной аппаратуре. В итоге сигнал i-го датчика попадает в i-e регист-
рирующее устройство.
Видеокод на выходе кодера содержит информационные сигналы, сигнал
синхронизации, а также некоторые служебные сигналы (уровни калиб-
ровки, время) и называется групповым сигналом (ГС), или телеметричес-
ким кодом.
Удобные для пояснения принципа ВРК механические коммутаторы нахо-
дят ограниченное применение. Вместо них используются электронные
коммутаторы (рис. 3.9). Распределитель импульсов выдает ряд последова-
тельностей не перекрывающихся во времени импульсов (рис. З.Э.в, г, д, е,
ж). Он представляет собой либо многофазный генератор импульсов, либо
счетчик с дешифратором, либо фазорасщепитель. Электронные ключи К1,
К2,..., KN в течение цикла коммутации Т= То последовательно один за дру-
гим открываются сигналами Sk1, Sk2, ... ,SkN на время, равное канальному
интервалу 7k, и пропускают сигналы датчиков Д1,Д2,... ,ДЫ, также посту-
пающих на их входы. В сумматоре Е формируется последовательность сиг-
налов с АИМ всех датчиков 5Е.
В принимающей аппаратуре на вход коммутаторов подается групповой сиг-
нал, а на выходе электронных ключей К1, К2, ..., KN появляются сигналы
отдельных каналов S1, S2,..., SN.
Начало цикла коммутации определяется маркерными синхроимпульсами
Sm, следующими с периодом опроса То; время, отводимое каналу 7k, опреде-
ляется периодом следования канальных синхроимпульсов Sk.
179
Современная телеметрия в теории и на практике
Рис. 3.9. Коммутаторы передающей и приемной частей РТС
с временными диаграммами
3.4.2.	Структурная схема информационно-телеметрической
СИСТЕМЫ (ИТС) С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
Информационно-телеметрическая система состоит из бортовой и приемно-
регистрирующей аппаратуры (рис. 3.10). Первичный сигнал с выхода датчи-
180
Глава 3. Средства телеметрии
ков поступает на вход системы коммутации. Сигнальные и некоторые отно-
сительно медленно меняющиеся параметры предварительно поступают на
устройства амплитудного и временного уплотнения (программно-коммути-
рующие устройства - ПКУ) соответственно. Использование устройств уплот-
нения позволяет передать по одному информационному каналу ИТС сигна-
лы нескольких датчиков и тем самым эффективно использовать пропускную
способность отдельных каналов ИТС.
а) бортовая аппаратура
б) приемно-регистрирующая аппаратура
Рис. 3.10. Структурная схема ИТС
На вход системы коммутации поступают также уровни калибровки. В про-
стейшем случае передается минимальное и максимальное напряжение изме-
рительной батареи, питающей датчики. Тем самым передаются уровни сиг-
нала, соответствующие 0% и 100% значениям параметра. Благодаря этому
в приемно-регистрирующей аппаратуре получают данные об относительном
масштабе зарегистрированных сигналов. В том случае, если тракт РТС нели-
нейный, передается больше двух уровней калибровки, например 11 уровней
(через 10% шкалы каждый). Системой коммутации формируется АИМ-
сигнал, представляющий собой последовательность отсчетов всех измеря-
емых параметров и уровней калибровки. Для управления системой комму-
тации от хронизатора поступают маркерные и канальные синхроимпульсы.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует каждый отсчет
в цифровой код. Для его работы используются синхроимпульсы, следующие
с частотой каналов Fk и символов кода Fc. В аналоговых системах АЦП нет.
181
Современная телеметрия в теории и на практике
SEA
а)
маркер О И О И О О И
>
t
маркер
время
служеб.
инф. 1
инф. 2
Тк
t
в)
Рис. 3.11. Групповой сигнал (телеметрический код)
В кодере формируется групповой сигнал, содержащий информационные
сигналы определенной структуры (ВИМ, ДИМ или КИМ), а также син-
хронизирующие и служебные сигналы. Групповой сигнал (телеметричес-
кий код) обязательно содержит маркерные сигналы, отмечающие (марки-
рующие) начало цикла коммутации (рис. 3.11). Маркерные сигналы
отличаются от измерительных. При КИМ в качестве маркера часто ис-
пользуется кодовая группа импульсов, запрещенная для информацион-
ных каналов (рис. 3.11а). При ВИМ маркер может отличаться от измери-
тельных импульсов, например, по длительности (рис. 3.116). Отличие
маркерных от других сигналов лежит в основе их селекции в приемно-ре-
гистрирующей аппаратуре.
Синхроимпульсы каналов часто включаются в код. Они размещаются на гра-
нице каналов. При ВИМ, например, опорные импульсы (рис. 3.116) обозна-
чают границы каналов и используются для временного разделения каналов.
Символьные синхроимпульсы, как правило, в код не включаются.
Часто несколько каналов отводится для передачи бортового времени, что
позволяет привязать данные телеизмерений ко времени. Передача секунд-
ных меток с неоднозначностью в одни сутки требует 17 бит на метку.
К служебным сигналам можно отнести информацию о номере технологи-
ческого оборудования, режиме ее работы и т. п. В обобщенном виде струк-
тура кода на выходе формирователя представлена на рис. 3.11.в.
182
Глава 3. Средства телеметрии
Видеокод с выхода поступает либо непосредственно на вход передатчика,
либо через долговременное запоминающее устройство. Высокочастотные
колебания передатчика модулируются одним из возможных способов: ис-
пользуется AM, ЧМ или ФМ. Далее радиосигнал поступает в антенну и из-
лучается в направлении приемно-регистрирующей станции.
Долговременное запоминающее (ДЗУ) устройство служит для запоми-
нания информации на время отсутствия связи, которое ограничено в
пределах от нескольких секунд до сотен минут.
При известном числе каналов N, частоте опроса Fo и значности кода в каждом
канале п можно рассчитать скорость потока информации на выходе кодера:
В = NFQn бит/с.
Эта скорость при заданном времени запоминания Гзап определяет необходи-
мую емкость долговременного запоминающего устройства (ДЗУ):
V -Bt
v ДЗУ и1ЗАП'
Емкость используемых ДЗУ достигает нескольких миллионов бит. В каче-
стве ДЗУ часто используются ДЗУ с магнитной лентой, допускающей за-
пись тысяч битов на 1 м длины, поэтому длина используемой ленты ока-
зывается в приемлемых пределах. При воспроизведении информации,
записанной в ДЗУ, на него подается от хронизатора сигнал считывания.
Частота считывания Fen стабильна. Воспроизведение информации в случае
использования в качестве ЗУ магнитного регистратора сопровождается из-
менениями частоты следования слов из-за неравномерности протяжки маг-
нитной ленты.
Частота считывания сигналов из выходного регистра магнитного регистра-
тора выбирается большей максимальной частоты воспроизведения, которая
меняется случайно. Из-за этого в некоторые моменты времени при приходе
импульсов считывания выходной регистр оказывается пустым. В эти мо-
менты времени формируются «холостые» слова, которые не несут инфор-
мации. «Холостым» словом может быть последовательность, состоящая из
одних нулей.
Стабилизация частоты следования элементов группового сигнала при вос-
произведении информации с долговременного ЗУ приводит к облегчению
работы наземной части канала синхронизации, но сопровождается потерей
энергии, обусловленной передачей «холостых» слов.
Дополнительные затраты энергии на передачу «холостых» слов составляют
до 6% от общих затрат на передачу.
183
Современная телеметрия в теории и на практике
Таким образом, бортовая аппаратура может работать в одном из трех ре-
жимов: непосредственной передачи (НП), воспроизведения информации
(ВИ) и запоминания информации (ЗИ).
Отличительной особенностью режима ЗИ является уменьшение частоты
опроса датчиков по сравнению с непосредственной передачей. Соответ-
ственно, уменьшаются Fm, Fk, Fc. Это обусловлено стремлением уменьшить
объем ДЗУ. Соотношение частот опроса в режимах НП и ЗИ пропорцио-
нально отношению скоростей воспроизведения Ueu и записи изи магнит-
ной ленты. Именно благодаря этому скорость передачи в режимах НП и ВИ
одинакова.
Бортовой эталон времени выдает высокостабильные сигналы, которые
являются задающими для хронизатора, а также код времени, включаемый
в групповой сигнал в режиме ЗИ.
Приемно-регистрирующая аппаратура (ПРА) осуществляет прием, декоди-
рование и регистрацию телеметрической информации (рис. 3.106). В состав
этой аппаратуры может включаться аппаратура обработки данных телеиз-
мерений и передающая часть системы трансляции, обеспечивающей пере-
дачу данных в центр сбора и обработки информации.
Антенно-фидерное устройство, управляемое системой управления антен-
ной, позволяет осуществлять поиск приходящего от объекта сигнала по на-
правлению, захват и слежение по углу. Слежение осуществляется одним
из возможных способов: вручную, автоматически, по программе.
Групповой сигнал с выхода приемника поступает на входы декодера и сищ
хронизатора. В синхронизаторе выделяются маркерные и канальные син-
хроимпульсы, используемые в декодирующем устройстве для выделения
сигналов информации и служебных сигналов. Декодер, кроме того, может
выполнять декодирование помехоустойчивого кода, формирование сигна-
лов записи и считывания для регистраторов и т. п. В качестве регистраторов
используются магнитные, графические, фоторегистраторы, а также элект-
ронно-лучевые трубки и световые табло для визуального отображения дан-
ных телеизмерений.
В процессе регистрации данных осуществляется их привязка к наземному
времени. Для этого в регистратор подаются метки времени от генератора,
который синхронизируется сигналами службы единого времени (СЕВ).
Минимальный интервал между метками СЕВ составляет 1 с, генератор ме-
ток времени выдает сигналы через 0.1 или 0.0001 с. Аппаратура обработки
позволяет в соответствии с приоритетом обработать зарегистрированные
данные и выдать их потребителю в требуемом виде. Аппаратура трансляции
служит для согласования выходных сигналов РТС с входом используемой
для трансляции данных типовой линии связи.
184
Глава 3. Средства телеметрии
3.4.3.	Многоступенчатая коммутация каналов
Существенным техническим показателем РТС с ВРК является частота
опроса - чем она выше, тем более точно можно воспроизвести измеряемую
величину по ряду ее отсчетов. Поэтому частота опроса выбирается из усло-
вия обеспечения воспроизведения параметра с требуемой точностью.
При измерении многих параметров, как правило, встречается такая ситуа-
ция, когда скорости изменения различных параметров различны. В связи
с этим требуется обеспечить информационную гибкость системы, то есть
возможность выполнения телеизмерений с различной частотой опроса по
различным каналам. Одним из путей обеспечения такой гибкости является
применение многоступенчатых коммутаторов. Рассмотрим принцип мно-
гоступенчатой коммутации на примере с двумя степенями механической
коммутации (рис. 3.12).
На второй ступени имеется k коммутаторов, подвижные контакты которых
вращаются со скоростью п2 об/с. К ламелям присоединяются датчики. Если
число ламелей каждого коммутатора второй ступени т, то общее число дат-
чиков (а в нашем случае и каналов):
N <тк.
На первой ступени используется один коммутатор, подвижный контакт
которого вращается со скорость пх об/с. К его ламелям подводятся сигна-
лы от коммутаторов первой ступени. Поэтому число ламелей / должно
быть не меньше числа коммутаторов первой ступени:
1>к.
На рис. 3.12 изображен случай, когда / = k.
Коммутаторы второй ступени располагаются в местах скопления датчиков
на объекте телеизмерений и осуществляют тем самым сбор информации
в локальных частях объекта. Поэтому часто они называются локальными
коммутаторами (ЛК). Для удобства каналы локальных коммутаторов име-
ют двойное обозначение. Каналы первого ЛК, с первого по т-ый, обознача-
ются: 1/1, 2/1, 3/1, ..., m-1/l, ш/1; каналы второго ЛК, с первого по т-ый,
обозначаются: 1/2,2/2,3/2,..., ш-1/2, ш/2; каналы к-го ЛК, с первого по т-ый,
обозначаются: 1/к, 2/к, 3/к,..., m-1/k, ш/к.
Коммутатор первой ступени называется основным (ОК). Его входы обозна-
чаются цифрами 1, 2,..., 1 (рис. 3.12).
Число ступеней коммутации может быть три и более. В этих случаях в систе-
ме коммутации есть основной коммутатор, локальные коммутаторы 1-й сту-
пени, локальные коммутаторы 2-й ступени и т. д.
185
Современная телеметрия в теории и на практике
Рис. 3.12. Двухступенчатый коммутатор каналов
Существует несколько вариантов работы двухступенчатого коммутатора,
отличающихся соотношением скоростей вращения коммутаторов 1-й и 2-й
ступеней ( ^ и п2). Возможно также синхронное и несинхронное вращение
коммутаторов. Рассмотрим некоторые из вариантов.
Вариант 1. Коммутаторы 2-й ступени сфазированы друг с другом. Скоро-
сти вращения пх и п2 связаны соотношением:
nx=mn2.	(3.15)
Благодаря синфазности работы одноименные (первые, вторые и т. д.) ламе-
ли второй ступени опрашиваются одновременно. Сигналы на выходе ком-
мутаторов второй ступени изображены на рис. 3.13а, б, в.
Соотношение (3.15) показывает, что за время пребывания подвижного
контакта коммутаторов 2-й ступени на одной ламели подвижный контакт
коммутатора 1-й ступени совершает полный оборот, производя опрос всех
коммутаторов второй ступени (рис. 3.13). Получаемый в результате двух-
ступенчатого опроса результирующий сигнал представляет собой последо-
вательность опросов всех N = mk датчиков.
Частота опроса (в герцах) определяется скоростью вращения коммутатора
2-й ступени.
Л)=П2	(3.16)
186
Глава 3. Средства телеметрии
Рис. 3.13. Образование группового сигнала многоступенчатого коммутатора
при соотношении скоростей коммутации л, = mn2
Увеличение частоты опроса достигается запараллеливанием нескольких
каналов одного коммутатора второй ступени (знак «х» на рис. 3.13 соот-
ветствует запараллеливанию 1-го и 3-го каналов) и подключением датчика
к ламели коммутатора 1-й ступени. В последнем случае:
Увеличение частоты опроса сопровождается уменьшением числа каналов.
Запараллеливание входов для увеличения частоты опроса датчика про-
изводится таким образом, чтобы период опроса в смежных кадрах был
одинаков. Это достигается в том случае, если запараллеливаются диа-
метрально противоположные входы. Если же, например, запараллелить
входы 1/1 и 2/1, это приведет к тому, что интервал времени между от-
счетами будет принимать два значения: Т01 и (Т02_01). Неравномерность
следования отсчетов во времени нежелательна, так как она не приведет
к ожидаемой точности воспроизведения более часто опрашиваемого па-
раметра.
Отношение частот опроса на первой и второй ступенях находится из соот-
ношения (рис. 3.13):
Л)2 = "^01
187
Современная телеметрия в теории и на практике
и оказывается равным
Т F
— = — = т.
4	^02
Величина канального интервала (рис. 3.13в) в / раз меньше периода опроса
коммутатора первой ступени:
Тк = — = * = m
/	/F01	^02 ‘
Частоту F01 называют частотой опроса 1-й ступени, a F02 - частотой опроса
2-й ступени.
Число каналов в системе определяется по формуле:
Т
N = —.
Т
лк
В общем случае часть каналов отводится для передачи маркерных служеб-
ных групп импульсов (Л/с). В этом случае число измерительных каналов:
При цифровом методе передачи длительность символа кода т при извест-
ном числе импульсов в кодовой группе п определяется по формуле:
Т
п
Разделение каналов производится либо в одну, либо в две ступени. Во вто-
ром случае сначала выделяются сигналы отдельных коммутаторов 1-й сту-
пени, а затем сигналы отдельных каналов.
Вариант 2. Коммутаторы 2-й ступени сфазированы друг с другом, соотно-
шение скоростей вращения:
П2=/ХИ1	(3.17)
При таком соотношении скоростей за время полного оборота коммутатора
2-й ступени скользящий контакт 1-й ступени пройдет ровно одну ламель.
Таким образом, когда подвижный контакт коммутатора 1-й ступени нахо-
дится на 1-й ламели, передаются только сигналы 1-го коммутатора 2-й сту-
пени (рис. 3.14а, г, заштрихованы):
Г0=и2	(3.16)
При переходе контакта на 2-ю ламель передаются только сигналы 2-го ком-
мутатора 2-й ступени (рис. 3.146, г, заштрихованы) и т. д. Получаемый
188
Глава 3. Средства телеметрии
Рис. 3.14. Образование группового сигнала многоступенчатого коммутатора
при п2 = /л,
на выходе двухступенчатого коммутатора результирующий сигнал содер-
жит последовательность опросов всех Af каналов, расположенных группами
в порядке возрастания номеров коммутаторов 2-й ступени, а внутри группы -
в порядке возрастания номеров каналов в коммутаторе 2-й ступени.
Частота опроса определяется частотой вращения коммутатора 1-й ступени:
F0=F0i=nv	(3.18)
Увеличение частоты опроса достигается либо запараллеливанием одно-
именных каналов коммутаторов 2-й ступени (например, всех первых ламе-
лей), либо путем непосредственной передачи сигналов только одного ком-
мутатора 2-й ступени. В этом случае (рис. 3.14):
F0 =П2-
Как и в рассмотренном предыдущем случае, разделение каналов при при-
еме производится в одну или две; ступени.
Вариант 3. При любом из отношений пх / п2 коммутаторы 1-й ступени не
сфазированы. В этих вариантах работа коммутатора возможна, однако при
отсутствии синфазности коммутаторов 1-й ступени требуется посылка до-
полнительных маркерных синхронизирующих импульсов, обозначающих
начало цикла коммутации каждого* из коммутаторов 2-й ступени. В этом
нетрудно убедиться самостоятельно.
189
Современная телеметрия в теории и на практике
Таким образом, при двухступенчатой коммутации синхронизирующими сиг-
налами при синфазном и синхронном вращении всех коммутаторов являют-
ся маркерные импульсы начала кадра и опорные импульсы, а при несфази-
рованных коммутаторах - маркерные импульсы коммутаторов как 1-й, так
и 2-й ступеней, а также опорные импульсы.
В простейшем случае начало цикла коммутации можно отметить подачей
сигнала определенной структуры на ламель, предшествующую 1-й (т/1).
Таким сигналом может быть, в частности, максимальный или нулевой
по уровню.
Вариант 4. Коммутаторы не сфазированы. Соотношение скоростей вращения:
» тп2.
Так как Т0] «—Т02, то, пока подвижный контакт 2-й ступени скользит
m
по одной ламели (рис. 3.15), проходит несколько периодов опроса Т01
(рис. 3.16). Поэтому каждый датчик, включенный через ПКУ, опрашива-
ется z раз подряд. Остальные датчики, включенные на вход коммутатора
1-й ступени, опрашиваются с периодом Г01.
За время Тт параметры, включенные через ПКУ, почти не изменяются,
поэтому группу z отсчетов одного датчика можно считать одним опросом,
а период опроса ПКУ — равным Т02. Обычно выбирают z = 5 4- 10.
Рис. 3.15. Включение программно-коммутирующего устройства на вход РТС
Число параметров, которые можно включить на вход ПКУ, определяется
с помощью диаграмм (рис. 3.16).
Как следует из этого рисунка,
Т =zT N
1 02 ^ОХ^ПКУ’
где NnKy ~ число датчиков, включаемых на входы одного ПКУ.
190
Глава 3. Средства телеметрии
Отсюда:
дг _ ^02 _ . Л>! =_____________
zFe (5 + I0)Fm'
На входы одной РТС можно включать несколько ПКУ.
(3.19)
D1 D2 D3 Dm D1 D2 Dm
а) отсчеты в канале с ПКУ
отсчетов
гпТ'
напряжение датчика 1 канала (без ПКУ)
б) отсчеты в канале без ПКУ
Рис. 3.16. Отсчеты в канале передачи с ПКУ
Для того, чтобы при дешифровке можно было найти начало кадра ПКУ,
то есть разделить каналы, ламели ПКУ заранее соединяются специальным
образом в блоки (запараллеливаются). Например, если закоротить первые
две ламели, то при регистрации они дадут более длинную ступеньку, чем
остальные ламели. Это может служить признаком начала кадра ПКУ.
Применение нескольких ступеней коммутации имеет ряд преимуществ.
Во-первых, обеспечивается информационная гибкость системы. Во-вторых,
при п} > тп2 коммутаторы 1-х ступеней можно расположить на объекте
в местах скопления датчиков. Это приводит к экономии кабеля и снижению
массы бортовой аппаратуры: вместо т кабелей датчиков от коммутатора
2-й ступени идет лишь один кабель (рис. 3.15).
В-третьих, при многоступенчатой коммутации электронные коммутаторы
получаются более простыми и надежными в эксплуатации.
3.4.4.	Назначение и структура системы синхронизации
Синхронизация - это установление временного соответствия между про-
цессами в совместно функционирующих передающей и приемной частях
191
Современная телеметрия в теории и на практике
радиотелеметрической системы. В процессе синхронизации на передающей
стороне формируются, а на приемной выделяются следующие сигналы:
1)	маркерные (кадровые), обозначающие начала циклов коммутации
(кадров) различных ступеней коммутации;
2)	канальные (словные), обозначающие границы каналов (слов);
3)	символьные, обозначающие границы символов.
Кроме того, в наземной аппаратуре часто формируются вспомогательные
синхроимпульсы (СИ), располагающиеся в нужных точках канального ин-
тервала. Например, при ВИМ формируются синхроимпульсы, располага-
ющиеся в начале и конце шкалы и позволяющие выделить измерительный
импульс (рис 3.17д, е).
Число каналов в кадре ЛГи число символов в слове п определяют соотношения
между частотами повторения маркеров Рц, каналов (слов) Fk и символов Fc:
FK^NFV,
Fc=nFz =М1РЦ.
(3.20)
(3.21)
При этом F„ = —, a F
тк
— , где Тк и т - длительности соответственно
Тс
канального интервала и символа.
Рис. 3.17. Синхроимпульсы, выделяемые из принятого кода
192
Глава 3. Средства телеметрии
Еще одной задачей системы синхронизации является формирование опор-
ного сигнала для фазового детектора (рис. 3.18).
10	10	0	11
Рис. 3.18. Фазоманипулированный и опорный сигналы
Основные требования, предъявляемые к системе синхронизации РТС,
состоят в следующем:
1)	разделение каналов должно быть надежным, то есть ошибка в опре-
делении принадлежности измерительных сигналов тому или иному
датчику (определение номера канала) должна иметь малую вероят-
ность;
2)	определение границ канальных интервалов и символов должно быть
достаточно точным, чтобы энергетические потери и взаимные помехи
каналов из-за неточности синхронизации были малы;
3)	время вхождения в синхронизм и удержание синхронизма при пере-
рывах в связи должны быть такими, чтобы потери информации были в
допустимых пределах;
4)	введение синхросигналов в групповой телеметрический сигнал не
должно существенно сказываться на снижении скорости передачи ин-
формации или увеличении энергетического потенциала радиолинии.
Структура синхросигналов, включаемых в ГТС, выбирается таким образом,
чтобы они обеспечивали выполнение требований, предъявляемых к систе-
ме синхронизации. Естественно стремление включать в код возможно мень-
ше специальных сигналов синхронизации и все необходимые синхроим-
пульсы получать в пункте приема. В связи с этим рассмотрим некоторые
возможные алгоритмы работы приемного тракта системы синхронизации,
так как именно на приемной стороне выполняются операции, определяю-
щие характерные признаки системы синхронизации в целом.
7 Зак 861
193
Современная телеметрия в теории и на практике
1.	Алгоритм (рис. 3.19а) характеризуется тем, что в код включены
только маркерные синхросигналы. Синхроимпульсы синхрониза-
ции слов и символов получаются умножением маркерной частоты
в соответствии с формулами (3.20) и (3.21).
2.	Алгоритм (рис. 3.196) также базируется на включении в код толь-
ко маркерных сигналов. В приемной аппаратуре за счет анализа
принимаемого кода выделяются символьные синхроимпульсы,
используемые для опознания символов кода маркера. Синхроим-
пульсы слов формируются умножением частоты маркеров или де-
лением частоты символов.
этапы
Рис. 3.19. Алгоритмы получения синхросигналов кадров,
слов и символов
3.	Алгоритм (рис. 3.19в) предусматривает включение в код и марке-
ров, и синхросигналов слов. В этом случае анализ принятого сигна-
ла позволяет сформировать символьные синхроимпульсы, которые
используются для определения границ символов при выделении
синхроимпульсов слов и маркеров. Выделенные синхроимпульсы
слов используются при селекции маркеров.
Перечень алгоритмов можно продолжить, однако и приведенных достаточно
для понимания принципов функционирования тракта синхронизации.
В практике телеизмерений маркерные и канальные синхросигналы часто
включаются в состав ГТС. Если при этом используется цифровой способ
передачи, то символьные синхроимпульсы формируются в приемной аппа-
ратуре на основе анализа принимаемого сигнала. При этом выделение часто
194
Глава 3. Средства телеметрии
следующих символьных синхроимпульсов требует меньшего времени, чем вы-
деление канальных синхроимпульсов и маркеров. Использование символьных
синхроимпульсов ускоряет и облегчает выделение канальных синхроимпуль-
сов, которые вместе с символьными, в свою очередь, облегчают выделение
маркеров. Последовательное вхождение в синхронизм по символам, словам
и кадрам позволяет завершить процесс синхронизации наиболее быстро.
С целью уменьшения энергетических затрат синхросигналы слов можно
исключить из РТС. Это приводит к необходимости увеличивать энергию
маркера, чтобы его можно было выделить быстро и надежно, а также точно
определить его временное положение.
Система синхронизации состоит из передающей и приемной частей. Хрони-
затор передающей части (рис. 3.10) формирует все необходимые синхроим-
пульсы, управляющие работой аппаратуры. Некоторые из них используются
в формирователе как исходные для формирования синхросигналов, включа-
емых в код. Поясним различие между синхроимпульсами и синхросигнала-
ми. Синхроимпульсы используются в аппаратуре для фазирования работы
ее элементов: коммутатора, АЦП, декодера и т. п. Синхроимпульсы долж-
ны быть такими, чтобы обеспечить надежный запуск и фазирование рабо-
ты различных устройств. Синхросигналы включаются в ГТС и передаются
по радиоканалу. Поэтому синхросигналы часто имеют сложную структуру,
которая позволяет, несмотря на воздействие помех при передаче сигналов,
достаточно точно определить начало кадра, границы каналов и символов. Та-
ким образом, в приемной аппаратуре синхросигналы, содержащиеся в ГТС,
являются исходными для получения синхроимпульсов.
Структура приемной части системы синхронизации определяется выбран-
ным алгоритмом. На рис. 3.20 изображена структурная схема, соответству-
ющая третьему алгоритму.
Рис. 3.20. Структурная схема приемной части тракта синхронизации
195
Современная телеметрия в теории и на практике
В этой схеме выделенные символьные синхроимпульсы используются
для выделения синхроимпульсов каналов и маркеров. Символьные и ка-
нальные синхроимпульсы используются для выделения маркеров. Схема
формирования опорного сигнала формирует опорный сигнал на проме-
жуточной частоте для фазового детектора.
Сформированные в синхронизаторе синхроимпульсы поступают в декодер
и используются для разделения каналов и опознания слов. В современных
системах декодирование часто осуществляется ЭВМ. В этом случае синхро-
сигналы и информация поступают на вход ЭВМ.
В процессе выделения и формирования тех или иных синхроимпульсов в при-
емной части системы синхронизации для повышения помехоустойчивости
используются инерционные устройства (рис. 3.21). Выделяемые из прини-
маемого сигнала синхроимпульсы называются внешними. Они использу-
ются для фазирования инерционного генератора, формирующего внутрен-
ние синхроимпульсы. Благодаря инерционности этот генератор выдает
внутренние синхроимпульсы и во время сбоев, когда внешние пропадают.
ТехМ самым обеспечивается большая помехоустойчивость системы синхро-
низации. Основными требованиями к инерционному генератору являются
быстрое вхождение в синхронизм и длительное удержание частоты.
Внешние	Внутренние
Рис. 3.21. Внешние и внутренние синхроимпульсы
3.4.5. Выделение сигналов символьной синхронизации
Сигналы символьной синхронизации, как правило, не включаются в груп-
повой телеметрический сигнал. В приемной аппаратуре они выделяются
из принятого видеосигнала. При этом учитываются следующие особеннос-
ти сигналов КИМ. Во-первых, появление нулей и единиц случайно. Могут
встречаться несколько посылок подряд одной полярности (рис. 3.22а).
Во-вторых, спектр группового сигнала самой частоты следования символов
Fc не содержит. В случае появления последовательности чередующихся
нулей и единиц первая гармоника имеет частоту:
2т ' 2
196
Глава 3. Средства телеметрии
Поэтому путем простой фильтрации сигнала КИМ символьную частоту Fc
получить нельзя.
Наиболее широкое применение получила схема выделения символьных
синхроимпульсов (рис. 3.22), в которой с помощью дифференцирующей
цепи и формирующего каскада создаются короткие импульсы (рис. 3.226, в)
в моменты переходов сигнала с 1 на 0 и с 0 на 1. Эти импульсы подстраива-
ют фазу генератора символьной частоты Fc, синусоидальный выходной сиг-
нал которого используется для формирования импульсов, расположенных
на границах символов (рис. 3.22г, д).
а)	б)	в)	г)	д)
Sa ▲
Рис. 3.22. Схема выделения из кода символьных синхроимпульсов
Использование инерционной системы фазовой автоподстройки частоты
принципиально необходимо. Именно благодаря этому на выходе схемы син-
хроимпульсы следуют регулярно, несмотря на то, что на входе временного
различителя появляются случайные импульсы, расположенные на границах
символов. Инерционность схемы ФАП должна быть достаточной, чтобы
обеспечить генерирование символьных синхроимпульсов, когда во входном
сигнале будет несколько подряд следующих одинаковых символов, так что
несколько тактов подряд сигнал на вход временного различителя поступать
не будет (рис. 3.22 в). С другой стороны, инерционность не должна быть
197
Современная телеметрия в теории и на практике
слишком большой, чтобы система ФАП успевала следить за меняющейся
фазой импульсов на входе временного различителя, то есть чтобы динами-
ческие ошибки были малы.
Благодаря инерционности системы ФАП сглаживаются флуктуации фронтов
импульсов, обусловленные шумами. Тем не менее генерируемые синхроим-
пульсы испытывают случайные флуктуации относительно среднего положе-
ния. При больших входных отношениях сигнал-шум эти флуктуации имеют
нормальное распределение. Дисперсия флуктуации временного положения
импульсов на выходе схемы символьной синхронизации определяется
входным отношением сигнал/шум и параметром дискриминатора [8].
44*’
где ДД. - полоса кольца автоподстройки ФАП, ат- длительность символа
(рис. 3.23).
Рис. 3.23. Дисперсия флуктуаций фронта импульса, выдаваемого схемой
символьной синхронизации, содержащей ФАП
При разработке системы символьной синхронизации необходимо оценить
вероятность ошибки приема символа, обусловленную неточным знанием
границ символа. Если смещение тактовых импульсов обозначить Дт , а рас-
пределение этого смещения - Р(Дт), то среднее значение вероятности
ошибки при приеме символа р можно найти как [8].
р = j Р (Дт }р (Дт }d (Дт ).	(3.22)
На рис. 3.36-3.38 приведены результаты расчетов по этой формуле для сиг-
налов различной структуры и различных способов приема.
Рассмотрение зависимостей вероятности ошибки от входного отношения
сигнал/шум позволяет сделать следующие выводы.
198
Глава 3. Средства телеметрии
Для обеспечения погрешности передачи параметра порядка 1% в системах
должна достигаться вероятность ошибки приема символа порядка 10 .
Если при идеальной синхронизации достигнута такая вероятность ошибки
за счет создания определенного отношения сигнал-шум на входе системы,
то появление нестабильности символьной частоты, характеризующееся
относительным среднеквадратическим значением — = 0.05 , приводит к уве-
личению вероятности ошибки примерно до 10~3 для всех видов сигналов и ме-
тодов приема. Такое увеличение вероятности ошибки не может быть при-
знано допустимым. Оно может быть компенсировано соответствующим
увеличением интенсивности сигнала.
Чтобы сохранить вероятность ошибки на уровне 10"4при появлении в идеаль-
ной системе нестабильности символьных синхроимпульсов, характеризую-
щейся = о 05 , необходимо примерно вдвое увеличить энергию входных
т
сигналов для всех видов сигналов и методов приема. Дальнейшее увеличение
нестабильности приводит к резкому увеличению необходимого отношения
сигнал-шум, которое обеспечивает заданную вероятность ошибки.
Поэтому относительную нестабильность = 0.05 можно считать предель-
т
но допустимой. Как следует из рис. 3.23, —- < 0.05 может быть легко до-
't
стигнута при отношении сигнал-шум на входе системы более 10.
199
Современная телеметрия в теории и на практике
Рис. 3.25. Вероятность ошибки при ЧМн
Рис. 3.26. Вероятность ошибки при ФМН
Таким образом, рациональный выбор характеристик системы символьной
синхронизации и величины отношения сигнал-шум на входе приемника
позволяет обеспечить требуемую вероятность ошибки передачи символа.
200
Глава 3. Средства телеметрии
3.4.6. Формирование и выделение канальных
синхросигналов
Канальные синхросигналы, как правило, не отличаются от измерительных.
Единственным признаком, по которому можно выделить эти сигналы из груп-
пового, является регулярность их следования: они располагаются на границах
канальных интервалов, период их следования постоянный. Реализация уст-
ройств, использующих регулярность следования в качестве основы селекции
канальных синхроимпульсов, существенно зависит от метода передачи (ана-
логового или цифрового). В связи с этим рассмотрим отдельно синхрониза-
цию каналов для аналоговых и для цифровых методов передачи.
01 И1	02 И2	03	ИЗ 04
а)Ш1__________0—0_________0_____О—О_____________».
01 И1	02 И2 03 ИЗ t
б)_____________П_П________0-0________о______
t
_____________0__________0__________0__________.
Рис. 3.27. Схема выделения опорных импульсов при ВИМ
Среди аналоговых методов наибольшее распространение получило ис-
пользование сигналов ВИМ-АМ (рис. 3.27), когда положение измеритель-
ного (И) импульса внутри канального интервала говорит о величине пара-
метра, а опорные импульсы (О) располагаются на границах канальных
интервалов и служат в качестве начала отсчета положения измерительного
импульса и одновременно с этим в качестве канальных синхроимпульсов.
Выделение опорных импульсов может быть осуществлено с помощью уст-
ройства (рис. 3.27), в котором производится задержка группового сигнала
(кода) на время канального интервала и конъюнкция незадержанного и за-
держанного сигналов. Так как в смежных канальных интервалах переда-
ются разные параметры, положение измерительных относительно опорных
201
Современная телеметрия в теории и на практике
оказывается различным, и на входах схемы совпадения они появляются в разные
моменты времени, а опорные одновременно (рис. 3.27а, б). Таким образом, на
выходе схемы совпадения появляются только опорные параметры (рис. 3.27в).
Возможность появления измерительных импульсов на расстоянии Тк друг
от друга определяет формирование ложного канального синхроимпульса.
При подавлении опорного импульса помехой пропадут сразу два смежных
опорных на выходе схемы совпадения. Поэтому для повышения надежнос-
ти получения канальных синхроимпульсов можно увеличить время анали-
за до нескольких интервалов (т) и принимать решение о появлении каналь-
ного импульса, если на рассматриваемом интервале совпадает к импульсов,
разделенных временем Тк, из т. В этом случае вероятность появления лож-
ного синхросигнала будет определяться вероятностью появления к подряд
следующих измерительных импульсов, разделенных временем Тк, а вероят-
ность пропуска - вероятностью пропадания (п - k) опорных. Выбором п и k
можно добиться, чтобы вероятность пропуска и вероятность появления
ложного опорного были в заданных пределах.
При сигналах АИМ и ДИМ канальные синхроимпульсы, как правило, не
формируются и не включаются в групповой сигнал.
При цифровых методах передачи сигналы синхронизации каналов часто
включаются в групповой сигнал. Они представляют собой символы, распо-
лагающиеся на границе слов (рис. 3.40). Эти символы ничем не отличаются
от измерительных, поэтому единственным признаком, который можно ис-
пользовать для их выделения, является регулярность следования.
Рис. 3.28. Включение сигналов синхронизации каналов
в цифровой код
202
Глава 3. Средства телеметрии
Для того, чтобы осуществлять выделение, необходимо производить ана-
лиз принимаемых сигналов в течение нескольких канальных интервалов
(слов). Только таким образом можно обнаружить регулярность появления
символа канальной синхронизации. Задача выделения синхроимпульсов
каналов сводится к обнаружению последовательности единиц, следующих
с периодом Тк (рис. 3.28а).
Для решения этой задачи при известном числе символов в слове выделяет-
ся п регулярных последовательностей импульсов, следующих с периодом
Тк. Другими словами, в произвольный момент времени выделяется символ
кода и следующие за ним каждый п-ый символы группового сигнала. Сле-
дующая последовательность образуется таким же образом, но она сдвинута
относительно первой на один символ. Из всех полученных последователь-
ностей (рис. 3.28) только одна состоит из единиц (рис. 3.28д), являющих-
ся синхросигналами каналов. Эта последовательность и является искомой
последовательностью сигналов синхронизации каналов (рис. 286, в, г, е, ж).
Остальные последовательности, состоящие из информационных символов,
содержат и нули, и единицы.
Алгоритмы принятия решения относительно селекции последовательнос-
ти синхросигналов могут быть различными. Рассмотрим два алгоритма.
При первом алгоритме считают число единиц для каждой последовательнос-
ти в течение некоторого интервала времени. В отсутствие помех для одной
последовательности число сосчитанных единиц окажется равным числу слов,
прошедших за выбранный интервал времени. Эта последовательность явля-
ется искомой. Сумма единиц, содержащихся в других последовательностях,
будет меньше. Принцип принятия решения иллюстрируется на рис. 3.41.
Групповой сигнал поступает в «-разрядный регистр. Как только регистр за-
полнен, происходит считывание записанного числа в счетчики. Затем ре-
гистр заполняется следующими п символами кода и т. д.
Через тп слов в одном счетчике будет тп единиц, а в остальных - числа, мень-
шие тп, так как в них попали информационные символы, принимающие зна-
чения нуля. Достижение суммой величины тп обнаруживается пороговым
устройством.
Рис. 3.29. Схема обнаружения канальных синхроимпульсов накоплением сигналов
различных фаз
203
Современная телеметрия в теории и на практике
Сигнал порогового устройства записывается в регистр. Если теперь по-
следовательность нулей и одной единицы, записанных в этом регистре, вы-
давать последовательно с символьной частотой, то появившаяся единица
будет канальным синхроимпульсом.
Продолжительность суммирования, или число единиц т, которое нужно
накопить в счетчике для обнаружения символьных синхроимпульсов с за-
данной надежностью, можно определить следующим образом.
Вначале предположим, что искажения сигналов отсутствуют. В этом случае
пропуска сигнала быть не может, так как по крайней мере в одном счетчике,
соответствующем последовательности символьных синхросигналов, будет
накоплено т единиц. В то же время ложные синхроимпульсы могут появить-
ся, так как существует некоторая вероятность появления последовательнос-
ти т единиц информационных сигналов в каком-либо счетчике. Оценим эту
вероятность, определяющую вероятность ложной синхронизации.
Если параметр случаен и имеет симметричное распределение в пределах
шкалы, то вероятность появления нулей и единиц на произвольной пози-
ции в слове одинаковы:
Р(0)= Р(1)= 0.5
Вероятность появления ложного синхросигнала на выходе произвольно-
го порогового устройства можно определить как вероятность появления
подряд т единиц, то есть О.5"7. Если информационных разрядов (п - У), то
вероятности ложной синхронизации определяются суммой вероятностей
ложных синхросигналов во всех информационных разрядах:
Рлс = 2~т(п-\)	(3.23)
Точная формула учитывает вероятности достижения порога т одновремен-
но в i информационных разрядах:
Если задана вероятность ложной синхронизации, то можно вычислить не-
обходимое число анализируемых слов:
п — 1
т - 10§2	(324)
*ЛС
Рассмотрим пример. Пусть требуется обеспечить Рлс ~ 10-6, а значность
кода п = 10. Определим число анализируемых слов:
,	10-1
т = log 2---г
2 10’6
= log2107 =24 слова.
204
Глава 3. Средства телеметрии
Рассмотренный без учета помех расчет вероятности ложной синхрониза-
ции позволяет выяснить физическую сущность селекции синхросигналов
каналов и получить приближенную количественную оценку. Для практики
имеет большое значение учет помех.
При воздействии помех возможны ошибки: ошибочный прием единицы
вместо нуля, и наоборот. Будем считать эти события равновероятными.
Вероятность искажения символа, то есть трансформации 1—>0 и 0—>1, назы-
вают вероятностью ошибки р.
Вероятности появления единицы в любом информационном разряде:
Р,=Р(1)(1-р) + Р(0)р,
где Р(0)иР(1)~ априорные вероятности появления нуля и единицы. Если
Р(1)ЧР(0)=0.5, то Р^О.5 и Ро=О5.
Таким образом, при наличии помех ситуация ничем не отличается от рассмот-
ренной ранее для случая отсутствия помех. В связи с этим для определения ве-
роятности ложной синхронизации может быть использована формула (3.23).
В синхроразряде без помех появляются только единицы: Р(1) = 1, В случае
помех возможна трансформация единицы в нуль с вероятностью р. Поэтому
установление порога, равного т, будет приводить к пропуску в обнаруже-
нии синхросигнала вследствие пропадания некоторых из т единиц. Вероят-
ность пропуска можно уменьшить путем уменьшения порога счета 1<т.
Если порог счета выбран равным 1<т, то вероятность пропуска равна веро-
ятности пропадания не менее W-/ + 1 синхросимволов за т циклов счета,
или, что то же самое, вероятности появления не больше чем I -1 синхро-
символов за т циклов (рис. 3.30).
Пропуск Правильное обнаружение
|	Порог
t---------к\
I	I	I	I I	I I	I I I
1	2	3	••• I	m
Рис. 3.30. Установление порога Кт принятия решения
Вероятность появления ровно i ошибок за т циклов определяет вероят-
ность пропадания i единиц:
205
Современная телеметрия в теории и на практике
С учетом сказанного выше вероятность пропуска равна сумме вероятностей
пропадания (т -1 +1 )-го, (т—I + 2 )-го,т-гб сигналов:
/И
рПР= £ •
/=т-/+1
Вероятность ложной синхронизации:
т	т
Лс£<р(1)'['--р(1)Г'=2‘"S<'
/•=/	/=/
Нетрудно увидеть, что с увеличением порога счета I уменьшается вероят-
ность ложной синхронизации, но при этом возрастает вероятность пропус-
ка. Величину / целесообразно выбирать с таким расчетом, чтобы Рпр и Рлс
находились в заданном соотношении. Поскольку выделенные внешние ка-
нальные синхроимпульсы используются для фазирования внутреннего инер-
ционного генератора, то пропуск сигнала менее опасен, чем возникновение
ложного синхроимпульса, так как система имеет большое время памяти.
Для синхронизации каналов при цифровом методе передачи можно ис-
пользовать символ, который служит для обнаружения ошибки в слове пу-
тем проверки на четность (или нечетность).
Значение этого символа меняется от канала к каналу в зависимости от числа
единиц в конкретном слове (рис. 3.31а). Если же принимаемый код подать
на сумматор по модулю 2, осуществляющий скользящее суммирование п
знаков кода (рис. 3.31 в), то единицы на инверсном выходе сумматора будут
регулярно появляться только в конце слов (рис. 3.316). Отсутствие единиц
может быть только при ошибках в слове.
Очевидно, что полученный таким образом код отличается от принятых сиг-
налов. Благодаря регулярности появления единиц в конце слова он может
быть подан на решающее устройство, обнаруживающее эту регулярную
последовательность, то есть выделяющее сигналы синхронизации каналов.
Рассмотренный алгоритм обнаружения последовательности канальных
синхроимпульсов позволяет дать ответ через т слов. Причем число фик-
сируется заранее. В то же время поиск искомой последовательности может
быть ускорен по следующим соображениям.
Анализ первых символов выделенных последовательностей (рис. 3.28) сразу
позволяет сделать вывод, что при отсутствии помех 2-я и 3-я последователь-
ности (рис. 3.28в, г) не являются синхроимпульсами, так как содержат нули.
Анализ вторых выделенных символов позволяет отбраковать первую и пос-
леднюю последовательности (рис. 3.286, ж), так как в них появились нули.
На следующем шаге анализа происходит отбраковка четвертой последова-
тельности (рис, 3.28д) и принимается решение, что единственная оставшая-
ся последовательность является синхросигналами каналов.
206
Г лава 3. Средства телеметрии
з)|1|1|0 о|11111 |o|i |i |l jl о o|l|l|o OOOOOO o|l|l|l| >
| Тк | Tk  TK | TK |	t
Для реализации этого правила можно предложить схему (рис. 3.32), в ре-
гистре которой записаны единицы в каждом из п разрядов. Эти единицы
с выхода регистра подаются на схему совпадения, куда одновременно пос-
тупает групповой сигнал. Появление нуля в ГТС приводит к появлению
нуля на выходе схемы «И», который записывается в регистр. Таким обра-
зом, появление нулей в ГТС приводит к замене единиц, записанных в регис-
тре, на нули. Очевидно, что через некоторое время нули информационных
разрядов «уничтожат» единицы, циркулирующие в регистре, и останется
лишь одна единица, совпадающая с регулярно появляющимся синхросиг-
налом слов. Это состояние регистра фиксируется схемой фиксации окон-
чания поиска, которая выдает разрешающий сигнал на вторую схему совпа-
дения, выдающую внешние синхросигналы слов.
Эта же схема выдает сигнал запрета при пропадании нескольких синхроим-
пульсов и переходе к поиску, когда в разряды регистра вводятся единицы и
поиск возобновляется.
Второй алгоритм обнаружения последовательности синхроимпульсов ка-
налов реализует правило: появление нуля свидетельствует о том, что дан-
ная последовательность не является синхроимпульсами каналов.
Рис. 3.32. Обнаружение синхросимволов каналов путем
исключения фаз с информационными символами
207
Современная телеметрия в теории и на практике
Этот алгоритм, предложенный В. Г. Тыдманом, позволяет ускорить вхож-
дение в синхронизм по словам. Причем это время является случайным, по-
этому показателем эффективности этого алгоритма может быть математи-
ческое ожидание времени вхождения в синхронизм. Оценку этого времени
можно произвести следующим образом.
Пусть вероятность появления синхросимвола на информационной позиции
равна Рс. Один шаг анализа включает п символов, причем п - число символов
в слове. Таким образом, за один шаг в одной последовательности (рис. 3.28)
анализируется один символ. Синхросимволом является единица. Как толь-
ко в последовательности появляется нуль, она исключается из рассмотрения
как не являющаяся синхропоследовательностью, состоящей из одних еди-
ниц. Вероятность исключения любой последовательности на ти-шаге опре-
деляется вероятностью появления в ней хотя бы одного нуля, то есть одного,
двух,..., т нулей. Дополнением этой вероятности до полной группы событий
является вероятность появления подряд т единиц, равная Рст. Поэтому ве-
роятность исключения произвольной последовательности равна (1-PCW)
В отсутствие помех поиск будет закончен на ти-ом шаге, если к этому шагу в
каждой из (п - 1) информационных последовательностей будет хотя бы по
одному нулю. Так как последовательности независимы, то вероятность этого
события:
(1--Рс"Г	(3.25)
Если есть помехи и вероятность искажения символа р, то вероятность
завершить поиск на тп-ом шаге определится произведением найденной
(1 - Рст ) на вероятность того, что т символов синхропоследовательнос-
ти не будут искажены:
Рис. 3.33. Вероятность вхождения в синхронизм F
на m-ом шаге
(3.26)
208
Глава 3. Средства телеметрии
На рис. 3.33 приведено распределение вероятностей F(m) для случая от-
сутствия помех, Рс = 0,5 и п = 10. График показывает, что с достаточной
для практики надежностью можно считать, что за 10 шагов система вой-
дет в синхронизм (F(10) - 0.997). Оценим для этих же исходных данных
среднее время вхождения в синхронизм. Для этого найдем плотность ве-
роятностей вхождения в синхронизм на пг-ом шаге:
Р(т) =	= In 2Рст (1 - Рст )л'2
dm
и среднее время вхождения в синхронизм, выраженное числом слов:
00
in =
7П=1
Величина in для Рс = 0,5 и п = 10 оказывается равной 4,5.
Таким образом, при использовании второго алгоритма вхождение в синх-
ронизм в среднем осуществляется за 4,5 шага, то есть за время прохожде-
ния 5 слов.
Проведенный анализ показывает, что помехи мало влияют на работу сис-
темы словной синхронизации. Реальна вероятность ошибки приема сим-
вола р < 10“4 , то есть в среднем искажается один символ на 104. Система
входит в синхронизм за несколько слов, то есть несколько десятков синх-
росимволов. Поэтому вероятность сбоя при входе в синхронизм мала.
Здесь уместно заметить, что в отсутствие шумов при использовании вто-
рого алгоритма вероятности ложной тревоги и пропуска синхросигнала
равны нулю.
3.4.7. Маркерные сигналы в аналоговых РТС
При аналоговых методах передачи маркер может отличаться от измери-
тельных сигналов по амплитуде, длительности, высокочастотному заполне-
нию, форме и т. п. (рис. 3.17). Это отличие лежит в основе селекции маркер-
ных сигналов. Маркер, отличающийся от других сигналов по амплитуде,
использовать невыгодно по энергетическим соображениям: передатчик,
рассчитанный на передачу маркера, большую часть времени будет работать
с недогрузкой.
Если маркер отличается от измерительных сигналов по длительности
(рис. 3.34а), его селекция возможна с помощью устройства, содержащего
интегратор и амплитудный селектор.
209
Современная телеметрия в теории и на практике
М
Рис. 3.34 Варианты отличия маркера от измерительных сигналов
при аналоговых сигналах
На выходе интегратора импульс маркера отличается большей амплитудой
и, следовательно, может быть выделен амплитудным селектором. Форми-
рователь формирует маркерный синхроимпульс, используемый для фази-
рования коммутатора каналов приемно-регистрирующей станции. Таким
образом, при приеме осуществляется селекция маркерного синхросигнала,
формирование маркерного синхроимпульса и фазирование этим импуль-
сом коммутатора.
При использовании маркера, отличающегося от других сигналов длитель-
ностью, возникает трудность оптимизации полосы приемных устройств
1
= —, где т - длительность поступающих на вход приемных уст-
т
ройств импульсов. Так как длительность маркера и измерительных сигна-
лов различна, то полоса, оптимальная для измерительных сигналов, не бу-
дет оптимальной для маркеров. Это ведет к энергетическому проигрышу:
уменьшение надежности выделения маркера из-за ухудшения отношения
сигнал-шум при неоптимальной полосе приходится компенсировать путем
увеличения его энергии.
Если маркер отличается от измерительных сигналов по форме (рис. 3.176),
он представляет собой кодовую группу, состоящую из импульсов - таких
же, как и измерительные. Селекция маркера производится с помощью
фильтра, настроенного на маркер, далее формируется маркерный синхро-
импульс (рис. 3.34в). Такого типа маркерные сигналы получили наиболь-
шее распространение из-за простоты генерирования и высокой надежности
выделения.
Определим, каким образом можно найти число импульсов маркера исходя
из требуемой надежности его выделения.
210
Г лава 3. Средства телеметрии
Для различения маркерного Sm(1) и информационного Su(t) сигналов ис-
пользуется только их несовпадающая часть, называемая эквивалентным
сигналом:

(3.27)
Обозначим энергию эквивалентного сигнала:
Еэ= |5э2(/)^ = Еи+Еа/-2гДЛЙ. (328)
Тм
где Тм - длительность маркера, Ей - энергия информационного сигнала,
Ем - энергия маркера, г - коэффициент корреляции сигналов маркерного
и информационного.
Рассмотрим пример. Пусть в РТС, использующей ВИМ-АМ, маркер фор-
мируется в виде последовательности импульсов, каждый из которых не от-
личается от информационных (рис. 3.346). В этом случае эквивалентная
энергия маркера определяется числом его имйульсов, не совпадающих с дру-
гими сигналами при смещении во времени. По существу эквивалентный
сигнал представляет собой разность отклйка согласованного с маркером
фильтра на маркер и отклика этого же фильтра на другие сигналы. Так как
на интервале маркера может появиться только один информационный им-
пульс, то эквивалентная энергия разностного сигнала:
Еэ=Е(пм-\),	(3.29)
где Е- энергия импульса, пм число импульсов в маркере.
Число импульсов в маркере:
Е h 2
"w= е"+1=#+1’	(3-30)
где h - отношение сигнал-шум по напряжению для измерительных сигналов.
По заданным вероятностям ложной тревоги и пропуска маркера можно най-
1 г Е
ти требуемое отношение пэ =----, а затем число импульсов в маркере пм .
Пусть, например, исходя из требуемой точности передачи параметров обес-
печено А2 = 30 , а требуемая вероятность ложной синхронизации не долж-
на превышать Рлс =10 6. Для данной вероятности по графику Р(Л2) для AM
находим /гэ2 = 90.
Отсюда число импульсов в маркере п
90	1 л
и ~~----h 1 — 4.
м 30
211
Современная телеметрия в теории и на практике
3.4.8. Вероятностная оценка поиска маркерного
СИНХРОСИГНАЛА ПРИ ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ
Исходные положения:
1.	Маркерный синхросигнал представляет собой комбинацию им-
пульсов, являющуюся псевдошумовой последовательностью, ко-
торая занимает один или несколько канальных интервалов вре-
мени. Длина маркера, выраженная числом символов, - пм, длина
канального интервала (слова) - п. Она включает в себя информа-
ционные символы и символ, используемый для получения каналь-
ных синхроимпульсов.
2.	Вероятности появления нуля - Р(0) и единицы - Р(1) информа-
ционных символов одинаковы: Р(0) = Р( 1). Канал симметричный,
вероятность ошибки при передаче одного символа обозначим:
р = Р(0)Р(0 -> 1) + Р(1)Р(1 -> 0),
где Р(0->1) = Р(1->0) - вероятности искажения нуля и единицы
в канале передачи соответственно - и, кроме того,
Р(0 -> 1) = Р(1 -> 0) = р.
3.	Общее число каналов в кадре (цикле) - N. Часть из них Nu - инфор-
мационные, а остальные заняты маркером: NM= N - Nu. Число реа-
лизаций кадра, используемых в расчетах и экспериментальном ис-
следовании, - Np. Тогда объем выборки составляет NOEC - NpNn
символов (бит) и NOEK - NPN каналов (слов).
4.	Поиск маркера осуществляется согласованным фильтром в пред-
положении, что тактовая частота (частота символов) известна
с шагом в один символ. Если к тому же известна частота слов,
то поиск осуществляется с шагом в слово, длина которого п сим-
волов.
Ситуации, возникающие при поиске маркера
Эти ситуации можно представить схемой, изображенной на рис. 3.35.
Особенностью приема маркеров является то, что поиск проходит на фоне
информационных кодовых комбинаций и с искажением как маркера, так
и информационных слов помехами в канале передачи. Рассмотрим обна-
ружение маркера разной длины при шаге поиска в один символ и в одно
21,2
Глава 3. Средства телеметрии
слово, когда помехи отсутствуют и когда они есть и имеют разную интен-
сивность, задаваемую вероятностью искажения символа р.
Априорные Результат
вероятности приема
Вероятность Вероятность
ошибок отсутствия
ошибок
Маркер
Обнаружен
Есть-J3"
f появления
Пропущен
Обнаружен
„	Xх ложный
у. ____ Ром
мет	отсутствия
___Пропуск
Рпр
Ложного
— маркера
Рпм
обнаружен
Рно
I
Искажения в канале
Рис. 3.35. Условия и результаты поиска маркера
Поиск МАРКЕРА ДЛИНОЙ В ОДНО СЛОВО С ШАГОМ В ОДИН СИМВОЛ
В ОТСУТСТВИЕ ПОМЕХ
В этом случае все маркеры будут обнаружены правильно, вероятность об-
наружения маркера Ро окажется равной априорной вероятности его появле-
ния: Ро = Рм, а вероятность пропуска Pnp е 0 (рис. 3.36).
а)	б)
Маркер
1111010001	111101000	I
Опорный сигнал	Опорный сигнал
1 1 1 0 1 0 0 0 |1110 10 0 0
Результат обнаружения .
Рис. 3.36. Поиск маркера с шагом а один символ в отсутствии помех
а) правильное обнаружение;
б) ложный маркер на границе слов.
213
Современная телеметрия в теории и на практике
Вероятность появления ложного маркера определяется вероятностью появ-
ления кодовой комбинации - такой же, как маркер, на границе слов. Инфор-
мационные слова, повторяющие маркер, запрещены. Так как вероятности
появления нуля и единицы одинаковы: Р(0) = Р(1) = 0,5, то вероятность
ложного маркера при пм - п (NM=1)\
= 2'—,	(3-31)
п п
где сомножитель (п-1)/п определяет вероятность попадания комбинации
на границу слова (рис. 3.366).
Рассмотренную ситуацию можно представить в виде множества кодовых
комбинаций, составляющих выборку (рис. 3.37).
Маркеры	Ложный маркер	Информация
Рис. 3.37 Множество кодовых комбинаций при поиске
без помех с шагом в один символ, когда пм = п
Часть информационных битов превратилась в ложные маркеры. Если
общее число бит равно: NOBC = NpNn, то количество ложных маркеров
КГ - м р __ кг Nn р
1У ЛМ 1УОБСГЛМ Р1У " ГЛМ
Отсюда следует, что в эксперименте оценка вероятности ложных маркеров
может быть вычислена как:
- ^ЛМ _ ^лм
ЛМ КОБС NpNn
Поиск МАРКЕРА ДЛИНОЙ В ОДНО СЛОВО С ШАГОМ В ОДИН СИМВОЛ ПРИ ПОМЕХАХ
В КАНАЛЕ ПЕРЕДАЧИ
При помехах происходит искажение кодовых комбинаций - как маркеров,
так и информационных. Искажение приводит к пропуску маркеров - как
действительных, так и ложных (рис. 3.38), ложные маркеры также появля-
ются, причем с такой же вероятностью, как и в отсутствие помех.
Маркеры	Ложный маркер	Информация
Пропуск	Пропуск маркера		Ложный маркер	
Помехи
Рис. 3.38. Множество кодовых комбинаций при поиске маркера
с помехами в канале передачи с шагом в один символ, когда пм = п
214
Глава 3. Средства телеметрии
Рассмотрим эти явления подробнее.
Оценим вероятность появления нуля и единицы в информационных по-
сылках. Вероятность появления единицы:
Р, = Р(1)(1 - р) + Р(0)р = 1 (1 - р) +1 р = |.
Очевидно, что вероятность появления нуля и единицы в коде, искаженном
помехами:
Р(0) = />(!)=!
то есть такая же, как и в отсутствие помех. Поэтому вероятность ложных
маркеров такая же, как и в отсутствие помех. Искажение и пропуск ложных
маркеров компенсируется их появлением на новых позициях информаци-
онной части кода (рис. 3.38).
Отличие поиска маркера при помехах состоит лишь в том, что он может
появиться и вместо информационных слов, искаженных помехами. Расчет
вероятностей появления ложного маркера на месте информационного сло-
ва Рлми производится следующим образом.
Вероятность появления информационной кодовой группы, отличающейся
от маркера одним символом, равна 2”".
Вероятность искажения этого символа составляет /?(1 “ РУ ' •
Очевидно, что вероятность появления ложного маркера равна произведе-
нию этих вероятностей, то есть 2~н/?(1 - р)п~'.
Всего комбинаций столько, сколько символов, поэтому общая вероятность
появления ложного маркера:
Вероятность появления информационной кодовой группы, отличающейся
от маркера i символами, также 2~" а вероятность искажения этих символов
равна р1 (1- рУ . Таких кодовых групп может быть сп'. Следовательно,
суммарная вероятность появления ложного маркера определяется вероятно-
стью появления кодовых групп, отличающихся от маркера на один, два, ..., п
символов, и вероятностью их искажения, что дает появление ложного маркера:
= Г-± с: (1 - рТ‘ = 2- [1 - (1 - pf\ = Г” (1 - Рт„ ), (3.32)
/=1 L J
где РПРАВ = (1-рУ ~ вероятность правильного приема кодовой группы
из п символов.
215
Современная телеметрия в теории и на практике
Информационные слова появляются с вероятностью 1/п, то есть один шаг
из п попадает точно на слово, а остальные (п-1) шагов оказываются на гра-
нице слов. Таким образом, вероятность ложного маркера на шаге поиска,
когда информационное слово точно попало в фильтр:
П'-	-1
На остальных (п-1) шагах ложный маркер появляется, и когда есть ошибки
(i = 1...п), и когда их нет (i = 0), поэтому:
Р„иш =2-— Хр'О-рГ'-2*'— 	<3.33)
П Zo	п
результирующая вероятность появления ложного маркера в этом случае:
Рт = Ртш +	= 2- — + 2-1(1 -р)” =	(3.34)
п п	п
Заметим, что при р « 1 Рлм	——-,то есть ошибки в канале связи
п	1
практически не влияют на вероятность ложного маркера. Так как-» 1,
п
то Рлм «2 п, то есть равна вероятности появления комбинаций, таких как
маркер.
Пропуск маркера происходит из-за искажения его помехами при передаче.
При помехах слабых, когдар « 7, часто достаточно учитывать однократные
ошибки, вероятность которых и определяет вероятность пропуска маркера:
РПр = пР-
В общем случае:
PnP = tc;P\\-p)"-‘	.	(3.35)
/=1
При экспериментальном исследовании фиксируется число ложных NJlM и
пропущенных Nnp маркеров. Число реализаций кадра Np определяет число
маркеров в коде: по одному на кадр. Вероятности ложного маркера и про-
пуска маркера вычисляются как:
лм м ’
1N ОБС
I
ПР <
Здесь N06c ~ число шагов, определяемое числом символов в выборке и рав-
ное числу испытаний.
216
Глава 3. Средства телеметрии
ПОИСК МАРКЕРА С ШАГОМ В ОДНО СЛОВО ПРИ NM = N
В случае отсутствия помех маркеры не искажаются, и Рпр = 0,в информаци-
онных словах маркеры запрещены, и, следовательно, PjU{ = 0. При помехах
пропуск маркера возникает при ошибках любой кратности, то есть i = 1 -s- п.
Вероятность пропуска маркера:
^=£с,у(|-/’Г>	<3.36>
/=1
когда р мала, можно ограничиться учетом однократных ошибок (i = 1),
и вероятность пропуска:
РПР *np(l-pj~' ~пр.
Ложный маркер может появиться на месте информационного слова из-за
искажения этого слова, как было ранее установлено (формула 3.18) с ве-
роятностью:
Рлл,=2-"[1-(1-рУ]-^.	(3.37)
Сомножитель----- является вероятностью появления информационного
слова (один канал в кадре занят под маркер).
В первом приближении можно ограничиться однократными ошибками
7V-1 ,
и считать---» 1.
N
Тогда:
Рли^2-Пр(1-рГ^2"Пр.
Сравнение вероятностей пропуска и появления ложного маркера при поис-
ке с шагом в один символ и слово показывает, что при шаге в слово Р7Ш зна-
чительно уменьшается, однако реализация этого алгоритма поиска маркера
требует предварительно выделить синхроимпульсы слов.
При экспериментальном исследовании по известным числам ложных мар-
керов и пропусков маркеров Nnp можно вычислить соответствующие
оценки вероятностей (рис. 3.39):
i _хли
глм- N
1N ОБК
^пр. 1
V
217
Современная телеметрия в теории и на практике
Маркеры	Информация
Пропуск	Ложный маркер	
Рис. 3.39. Множество кодовых комбинаций при поиске маркера
с помехами в канале передачи с шагом в слово, когда пм = п
Поиск маркера длиной в два слова: NM = 2n
Рассмотрим код, в котором комбинация из двух смежных слов, повторяю-
щая маркер, не запрещена.
Появление нулей и единиц в информационных словах равновероятно и
не зависит от помех, как это было показано ранее, то есть PQ =	= 0.5.
Поэтому вероятность появления комбинации, повторяющей маркер, на
любом шаге составляет 2~н,/ = 2~2". Исключение составляет один шаг,
на котором находится действительный маркер. Следовательно, при
шаге поиска в один символ вероятность появления ложного маркера
определяется как:
Р _9-2„М?-1
ГЛМ ~ L	’
Nn
а при шаге в одно слово -
лм ~ z N •
Вторые сомножители в этих формулах определяют вероятность попадания
на любую комбинацию в кадре, кроме одной, которой является действи-
тельный маркер.
Вероятность пропуска маркера вычисляется как вероятность его иска-
жения:
РПР = ^р‘0-рТ"-
/=1
Если при р « 1 ограничиться однократными ошибками, то справедливо
приближение:
Рпр*2ир(1-р')2п~' ~2пР-
218
Глава 3. Средства телеметрии
При экспериментальном исследовании вероятность пропуска маркера вы-
числяется как:
N
р _ ПР
ПР Np ’
а вероятность ложного маркера при шаге в один символ и одно слово, соот-
ветственно, как:
р — ЛМ р _ 1У лм
ЛМ ~ М ЛМ “ V •
1УОБС	ОБК
Анализ результатов вероятностной оценки поиска маркеров
Для упрощения анализа будем использовать приближенные формулы вы-
числения вероятностей пропуска и появления ложного маркера (табл. 3.5).
Приведенные вероятности характеризуют среднюю частоту пропусков и лож-
ных маркеров при разной длине шагов поиска. Поэтому от вероятностей
полезно перейти к среднему времени между рассматриваемыми события-
ми, которое и может стать основой для сравнения.
Таблица 3.5. Вероятности пропуска и ложного маркера (приближенные
значения)
	Длина маркера пм в п		Длина маркера пм = 2п	
	Шаг поиска символ	Шаг поиска слово	Шаг поиска символ	Шаг поиска слово
р 1 ПР	wp(l-«)”'	ир(1-и)"_|	2ир(1-и)2” 1	2пр(1-п)2п~'
7ПР [бит]	N	N	N	N
	р^-рГ'	р(1-рГ'	2р(\-рГ	2pQ-pT'
р 1 лм	Г"	2-М1-рГ'	2~2п	2’2я
Тлм [бит]	2"	2я р^-рГ		л22я
219
Современная телеметрия в теории и на практике
Это время удобно измерять числом символов, укладывающихся на времен-
ном интервале.
Слово «символ» часто заменяется словом «бит». Среднее время между
ложными маркерами при поиске с шагом один символ (бит) можно вы-
числить как:
_ NpNn NpNn и
Gi ~ ~“ —-----------бит L
N N NnP L J
1Улм 1УР1УГ1ГЛМ
при поиске с шагом в п бит:
- NPN w г
/Лй = ——— = |6ww|.
л N NP Р L J
7V р1УГлм глм
Интервал между маркерами составляет Nn бит, а число маркеров при рас-
чете вероятности пропуска составляет Np. Следовательно, среднее время
между пропусками маркера:
I ПР “
NpNn
N Р
РгПР
= [бигпу
ГПР
Принимая во внимание физическую сущность процесса, это время можно
измерять также числом кадров:
{пр = —-[кадров].
*ПР
Анализ формул для расчета интервалов времени, приведенных в табл. 3.5,
позволяет сделать ряд выводов:
1.	Вероятность пропуска маркера существенно зависит от его длины.
При увеличении длины маркера вдвое его пропадание происходит
вдвое реже.
2.	Вероятность пропуска маркера одинакова и для шага поиска «сим-
вол», и для шага поиска «слово» при одинаковой длине маркера,
так как определяется вероятностью искажения маркера, которая
позволяет вычислить число пропущенных маркеров Nnp как часть
их общего числа Np. Nnp s Np*Pnp. Это число не зависит от вели-
чины шага.
3.	Вероятность и частота появления ложного маркера при поиске
с шагом в один символ не зависит от помех и определяется длиной
220
Г лава 3. Средства телеметрии
маркера. Поэтому маркер в два слова появляется в 2” раз реже,
чем однословный, что при п = 8 составляет 256 раз.
4.	Использование частоты слов при поиске однословного маркера
существенно увеличивает среднее время появления ложного мар-
кера, а при поиске маркера, занимающего два слова, это время уве-
личивается в п раз.
3.5. ШТАТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
3.5.1. Бортовая информационно-телеметрическая
система БР-92
Бортовая информационно-телеметрическая система (БИТС) БР-92 явля-
ется аналоговой системой с временным разделением каналов, модуляцией
ВИМ-АМ и многоступенчатой коммутацией, которая обеспечивает высо-
кую информационную гибкость системы и сокращение протяженности ка-
бельной сети датчиковой аппаратуры.
Системы БР-92 устанавливались на самых разных промышленных объек-
тах с середины пятидесятых годов и, используются до настоящего времени.
Прием радиосигнала БИТС БР-92 выполняет станцией МА-9МКТМ.
Принцип передачи информации в системе РТС-9 основан на исполь-
зовании временного разделения каналов и модуляции ВИМ-АМ.
В системе РТС-9 используется многоступенчатая (разветвленная) комму-
тация, которая предусматривает установку так называемых локальных
(местных) коммутаторов в местах сосредоточения датчиков. Благодаря
этому представляется возможным существенно уменьшить протяженность
и вес кабельной сети.
Информация с локальных коммутаторов (ЛК), число которых в данной
системе может достигать семи, поступает (рис. 3.40) на основной коммута-
тор (ОК). Его выходной сигнал, представляющий собой последователь-
ность импульсов, промодулированных по амплитуде (АИМ-сигнал), пода-
ется на преобразователь модуляции АИМ-ВИМ. Здесь АИМ-сигнал
преобразуется в последовательность коротких импульсов, промодулиро-
ванных по временному положению.
221
Телеметрия в теории и на практике
Рис. 3.40. Упрощенная функциональная схема БИТС БР-92
При подаче опорных и измерительных импульсов на передатчик последний
излучает короткие радиоимпульсы, что соответствует его амплитудной мо-
дуляции (манипуляции).
Многоступенчатая коммутация в системе РТС-9 используется только в бор-
товых устройствах первой и второй групп (большой и средний борт), где
число каналов NK= 100, а частота опроса соответственно Fo = 100 и 50 Гц.
В бортовом устройстве третьей группы (малый борт), где NK = 50 и Fo ~ 50 Гц,
используется одноступенчатая коммутация. Однако все три модификации
бортовых устройств (в т. ч. и базовая БИТС БР-92) имеют одинаковую
структуру сигнала (телеметрический код). Это обеспечивает возможность
приема сигналов от различных бортовых устройств с помощью одной и той же
наземной станции.
Двухступенчатая коммутация в БИТС осуществляется за счет примене-
ния основного и локальных коммутаторов на бесконтактных устройствах
(транзисторах и диодах). Однако для уяснения принципа коммутации ка-
налов целесообразно воспользоваться механической моделью коммутато-
ров (рис. 3.41).
Все локальные коммутаторы идентичны. Каждый из них имеет 32 ламели,
на 26 из них подаются сигналы от датчиков. Остальные шесть ламелей явля-
ются служебными. На ламели 13,14 и 29 поступают калибровочные уровни,
соответствующйё 50,100 и 0% напряжения питания датчиков. Ламели 30,31
и 32 соединены вместе и имеют постоянный потенциал -2,2 В, за счет чего
обеспечивается формирование маркерного сигнала локального коммутато-
222
Глава Средства телеметрии
ра. Каждый локальный коммутатор имеет свой сигнал синхронизации указанно-
го вида, чем, как будет показано ниже, достигается независимая работа комму-
таторов в отношении порядка опроса подключенных к ним датчиков.
Рис. 3.41. Схема коммутации каналов БР-92
На рис. 3.42 приведена временная диаграмма, соответствующая одному
циклу работы локального коммутатора.
Щетки локальных коммутаторов вращаются с одинаковой скоростью иЛА.(об/с),
определяющей частоту опроса датчиков Fo. Так, для первой группы борто-
вой аппаратуры плк= 100 об/с, так что Fo = 100 Гц. При этом каждый датчик
будет подключаться к выходу локального коммутатора в течение канально-
го интервала:
t к лк ~ Тлк!^ = 1/32^о,
где TJlK = 1 /Го - период опроса локального коммутатора.
Рис. 3.42. Видеосигнал на выходе локального коммутатора
223
Современная телеметрия в теории и на практике
Так, для большого борта Глк = 1/FO = 1/100= Юме, tKJlK= 10/32 = 312 мкс.
Для среднего борта, который является основным, то есть наиболее рас-
пространенным, вариантом бортового оборудования, имеем Тлк = 20 мс
и f,. ,,= 625 мс.
Выход каждого локального коммутатора подключается к соответствующе-
му входу основного коммутатора. Последний имеет 8 ламелей, 7 из кото-
рых служат для подключения локальных коммутаторов. 8-я ламель обес-
печивает формирование маркерного сигнала основного коммутатора в виде
синхропаузы. С этой целью на нее подается относительно большое отри-
цательное напряжение U3AniiP Это напряжение запирает преобразователь
АИМ-ВИМ в соответствующий момент времени при каждом цикле работы
основного коммутатора.
Скорость вращения основного коммутатора в 32 раза больше скорости вра-
щения локальных коммутаторов, то есть пок = 32 плк. За счет этого каждому
полному обороту щетки основного коммутатора будет соответствовать пе-
ремещение щеток локальных коммутаторов ровно на одну ламель.
При этом следует отметить два обстоятельства:
1. Для обеспечения нормальной коммутации опрос каждого локаль-
ного коммутатора должен осуществляться в момент, времени, со-
ответствующий нахождению его щетки на середине (или во 2-й
половине) ламели. Это диктуется наличием переходных процессов
в цепях датчиков и канальных элементов локальных коммутаторов.
2. Работа локальных коммутаторов должна быть жестко синхрони-
зирована с работой основного коммутатора, то есть должно стро-
го соблюдаться соотношение пок = 32 плк. В реальной схеме это до-
стигается за счет подачи на локальные коммутаторы специальных
сигналов синхронизации из блока основного коммутатора. Однако
при наличии жесткой синхронизации работа локальных комму-
таторов не фазируется. Это означает, что в одни и те же моменты
времени щетки разных локальных коммутаторов обычно проходят
ламели с различными номерами. Только случайно может оказаться
так, что щетки всех локальных коммутаторов подключаются к од-
ноименным ламелям. Практически более вероятна работа локаль-
ных коммутаторов с различными фазами.
Несмотря на независимую работу локальных коммутаторов, на приемной
стороне представляется возможным однозначно дешифрировать приня-
тый сигнал с помощью их маркерных сигналов. Вместе с тем это позволяет
упростить бортовую аппаратуру, так как при этом отпадает необходимость
фазирования локальных коммутаторов.
224
Глава 3. Средства телеметрии
На рис. 3.43 представлены временные диаграммы, поясняющие формиро-
вание сигнала на выходе основного коммутатора. Из рисунка следует, что
за один цикл его работы на выходе формируется сигнал, имеющий ступен-
чатую форму, причем высота ступеней соответствует напряжениям, дейс-
твующим на выходах соответствующих локальных коммутаторов. В тече-
ние первого канального интервала tK0K =Т()К/8 напряжение равно нулю.
На это время происходит запирание преобразователя АИМ-ВИМ напря-
жением изАПИР и формирование синхропаузы ОК.
На рис. 3.43 показана синхронизация локальных коммутаторов, осущест-
вляемая таким образом, что их опрос основным коммутатором произво-
дится во второй половине канальных интервалов. С этой целью локальные
коммутаторы объединяются в две группы (1,2, 3-й и 4, 5, 6, 7-й) и для каж-
дой из них формируются свои сигналы синхронизации.
1-й канал
ЛК7
О
Запирающее
напряжение
-5.2
U, В
Напряжение
на выходе
ОК
1кок = 1/8 Ток
Ток s Тлк /32
Рис. 3.43. Формирование видеосигнала при двухступенчатой коммутации
8 Зак 861
225
Современная телеметрия в теории и на практике
Нетрудно заметить, что канальный интервал основного коммутатора:
1к„ = Ток/i = Гж/(8*32) = 1/256F,,
для большого борта этот интервал составляет tK0K =1/256*100 = 39 мкс.
В бортовых устройствах 2-й группы частота опроса в два раза ниже, так
что Тлк = 1/50 = 20 мсек и tKQK « 78 мксек. Следовательно, канальный
интервал в этом случае оказывается в два раза больше, чем для бортовых
устройств 1-й группы. Вследствие указанного обстоятельства погреш-
ность, вносимая радиолинией, будет меньше, чем для бортовой аппара-
туры 1-й группы.
Запараллеливание каналов БИТС позволяет в случае необходимости уве-
личивать частоту опроса датчиков за счет соответствующего сокращения
числа независимых входов.
Трехступенчатая коммутация датчиков в системе применяется в тех случа-
ях, когда возникает потребность в большом числе каналов с относительно
низкой частотой опроса. Например, часто бывает необходимо измерять
температуру в большом числе точек объекта путем периодического контро-
ля напряжения соответствующих датчиков. В других случаях относитель-
но редкий периодический опрос тех или иных датчиков с частотой в не-
сколько герц или долей герца представляется единственно возможным
методом контроля ряда параметров. В частности, к этому приходится при-
бегать при весьма объемных программах телеизмерений и при передаче
данных с объектов.
Во избежание погрешностей, обусловленных переходными процессами в це-
пях датчиков, выход коммутатора 3-й ступени подключается к одному из ка-
налов локального коммутатора с порядковым номером от 16 до 28.
На рис. 3.44 в качестве примера показаны временные диаграммы, соот-
ветствующие подключению коммутатора 3-й ступени на вход 21-го канала
локального коммутатора 2-й ступени.
Маркерный сигнал коммутатора 3-й ступени передается по 16-му каналу
ЛК 2-й ступени. В течение первых 16 тактов коммутатора 3-й ступени он
равен нулю, а в течение остальных тактов его величина соответствует 100%
напряжения источника 6,2 В, от которого питаются датчики.
Групповой телеметрический сигнал, поступающий на передатчик, пока-
зан на рис. 3.45. Он, содержит 32 цикла основного коммутатора. Все цик-
лы имеют одинаковую структуру и на рисунке условно расположены
один под другим. Их длительность равна периоду основного коммутато-
ра Ток =
226
Глава 3. Средства телеметрии
Напряжение на входе
ЛК 2-й ступени
Маркерный сигнал ЛК 3-й ступени
Рис. 3.44. Формирование видеосигнала при трехступенчатой коммутации
Поскольку циклы основного коммутатора в принципе идентичны, то доста-
точно рассмотреть лишь один из них, например 1-й. На рис. 3.45 первый
цикл начинается с маркерного сигнала основного коммутатора в виде син-
хропаузы. Затем передается опорный импульс i-ro канала первого локаль-
ного коммутатора. За ним идет измерительный импульс данного канала.
После этого следует опорный импульс j-ro канала 2-го локального комму-
татора и соответствующий ему измерительный импульс и т. д.
В общем случае, как уже отмечалось, вследствие независимой работы ло-
кальных коммутаторов i ф j. Это означает, что, если, например, в первом ло-
кальном коммутаторе в течение первого цикла опрашивался первый канал,
во втором локальном коммутаторе может опрашиваться любой из 32 кана-
лов. Таким образом, за время одного цикла основного коммутатора будет
опрошено по одному датчику всех семи локальных коммутаторов.
Измерительные импульсы могут занимать одно из возможных положений
в пределах шкалы канала длительностью tlip которая равна половине ка-
нального интервала для всех трех групп бортовой аппаратуры. На рис. 3.45
она условно показана в виде заштрихованной области.
227
Современная телеметрия в теории и на практике
Маркер ОК ЛК1
ЛК5
ЛК6
ЛК7
О
1-й п
цикл
ЛК2
лкз
ЛК4
О И О И О
И
Ю
2-йП
цикл
I
*0
3—й
цикл
I
....1”
Ю
32-й
цикл
Юн1 Ин,	Ю?1 И?1 Ю ИОИ	Ю ИЮ ИЮИ	j
И	П JLzi П nJL ijlU^	П pzJk П fz4L П	
I	I	I	0.12 tKQK. .	Ill
bM И;+2 br2	иЬи b и b и b и
Il IzUL 11 777^ Il PzfLzi h JLtI fl JLzZI ll rzJL
I	I	I	I	I	I	I
1..1...1.1...Г...Г..Г.
ЮИЮ ИЮИ О ИЮ ИЮИ юи
П Л cz?z!Li		1 fzJL 0 ittzJI П Xz2i П JLtzi
UM-	UoK	Tqk = Тлк /32
Рис. 3.45. Телеметрический код системы РТС-9
Частота опроса, канальный интервал основного коммутатора и шкала ка-
нала для бортовых устройств 1, 2 и 3-й групп имеют различные значения,
которые приведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6. Характеристики ГТС
Параметры телеметрического кода	Группы бортовых устройств		
	1 большой борт	2 средний борт	3 малый борт
Частота опроса (Гц)	100	50	50
Длительность цикла ОК (мкс)	312	625	2500
Канальный интервал (мкс)	39	78	312
Шкала канала (мкс)	19.5	39	156
На рис. 3.45 показан случай, когда в течение первого, второго и третьего
циклов основного коммутатора осуществляется передача маркерного сиг-
нала 4-го локального коммутатора. В 5-м канальном интервале измери-
тельный импульс занимает крайнее левое положение в пределах шкалы
канала, что соответствует передаче нулевого уровня при опросе 5-го ло-
кального коммутатора в течение первого цикла работы основного коммута-
тора. В 7-м канальном интервале измерительный импульс занимает край-
нее правое положение. Этот случай соответствует передаче уровня 100%.
228
Глава 3. Средства телеметрии
В бортовых устройствах 3-й группы, имеющих только одно коммутирую-
щее устройство, структура кода остается прежней. Однако в этом случае
синхропаузы, следующие через каждые восемь каналов, служат лишь для
разделения опорных и измерительных импульсов в наземной приемно-ре-
гистрирующей станции. Маркерный сигнал в этом случае передается таким
же способом, как сигнал синхронизации локальных коммутаторов в борто-
вых устройствах 1-й и 2-й групп.
В дальнейшем бортовая аппаратура 3-й группы не рассматривается, по-
скольку она находит применение на объектах с малым числом параметров.
3.5.2. Бортовая информационно-телеметрическая
система БР-93
БИТС БР-93 используется в телеметрическом комплексе РТС-9 при циф-
ровой передаче информации.
В соответствии с принятой классификацией БР-93 относится к 3-й группе
бортовых систем (к системам малой информативности).
Передача информации системой БР-93 осуществляется с помощью собст-
венного радиопередатчика или бортового радиопередатчика совмещенной
командно-измерительной системы. Прием в структуре сигнала РТС-9Ц
от БР-93 производится с помощью приемно-регистрирующего оборудова-
ния телеметрического комплекса РТС-9 типа М А-9МКТМ малогабаритной
приемно-регистрирующей станцией МПРС-5, малогабаритным перенос-
ным телеметрическим комплексом МПТК и другой современной приемно-
регистрирующей аппаратурой. В совмещенных командно-измерительных
системах групповой телеметрический сигнал (ГТС) БР-93 может обраба-
тываться и регистрироваться с помощью аппаратуры УРТС-2, аппаратурой
приема по видеотракту «ОПАЛ-М» и др.
Общие сведения о бортовой радиотелеметрической системе БР-93
Бортовая радиотелеметрическая система БР-93 предназначена для цифро-
вой передачи телеметрической информации с объектов различного типа.
Она предусматривает непосредственную передачу данных телеизмерений,
запоминание информации и ее воспроизведение. С помощью системы БР-93
могут передаваться медленно меняющиеся функциональные и сигнальные
параметры. По структуре группового телеметрического видеосигнала и со-
ставу аппаратура БР-93 имеет много общего с бортовой аналоговой систе-
мой 3-й группы информативности с модуляцией ВИМ-АМ.
229
Современная телеметрия в теории и на практике
По принципу действия система БР-93 относится к телеметрическим системам
с временным разделением каналов и передачей информации по методу КИМ-
ЧМ. Ее особенность состоит в исполнении большого числа команд, обеспечи-
вающих изменение состава работающих устройств и режимов их работы.
Система БР-93 имеет несколько модификаций, различающихся составом
и типом комплектующих устройств (БР-93-1, БР-93-2 и др.).
Структурная схема системы БР-93-1 приведена на рис. 3.46. На схеме не по-
казаны устройства резервного комплекта и распределительное устройство,
обеспечивающее соединение отдельных приборов и управление режимами
работы системы БР-93-1.
Блоки кроссировки БК-9Е служат для подключения первичных измери-
тельных преобразователей к выходам коммутатора каналов ЛК-64.
Рис. 3.46. Структурная схема БИТС БР-93
Кроме того, они предназначены для питающих напряжений на измеритель-
ные преобразователи, запараллеливания каналов коммутатора ЛК-64Л
с целью увеличения частоты опроса каналов, а также для амплитудного
уплотнения каналов сигнальными параметрами. С каждым коммутатором
каналов ЛК-64Л (основным и резервным) работают два устройства.
Коммутатор каналов ЛК-64Л обеспечивает коммутацию каналов, то есть по-
очередное подключение измерительных преобразователей к кодирующему
устройству Б-147, осуществляющему аналого-цифровое преобразование ин-
формации. Частота опроса каналов коммутатора задается распределительным
устройством Б-103Т1 в соответствии с поступающими на него командами.
230
Глава 3. Средства телеметрии
Общее число входов коммутатора равно 64, из которых 60 входов явля-
ются информационными. Три входа используются для передачи сигна-
лов калибровки (каналы 61-й, 45-й и 46-й обеспечивают передачу калиб-
ровочных уровней напряжениями 0, 50 и 100% телеметрической шкалы).
Во время опроса 64-го канала коммутатор выдает маркер кадра, совпада-
ющий по времени с 64-м каналом. Входы коммутатора рассчитаны на под-
ключение первичных измерительных преобразователей с телеметричес-
кой шкалой 0-6,ЗВ постоянного тока. Предусмотрено разделение каналов
с четными и нечетными номерами для подключения к двум устройствам
кроссировки БК-9Е. Этим достигается удобство запараллеливания кана-
лов для увеличения частоты их опроса. Второй коммутатор со своими рас-
пределительными устройствами служит в качестве резерва или исполь-
зуется в режиме запоминания информации, когда состав измерительных
телеметрических параметров отличается от состава параметров в режиме
непосредственной передачи.
Кодирующее устройство Б-147Т служит для преобразования сигналов,
поступающих с выхода коммутатора каналов в последовательный цифро-
вой 10-разрядный код. Девять разрядов этого кода являются информаци-
онными, 10-й является служебным символом четности. Четность кодовых
комбинаций группового телеметрического сигнала используется на при-
емной стороне системы для разделения принятого сигнала на отдельные
слова. Устройство формирует также маркер кадра, который размещается
в начале группового телеметрического сигнала и имеет вид комбинации
1111111111. Эта комбинация отличается от других слов кадра не менее
чем в двух любых разрядах, что обеспечивает ее надежное выделение при
наличии помех в канале связи. Прибор исключает формирование комби-
наций 1111111111 и 0000000000 при передаче сигналов измерительных
преобразователей. Комбинация 0000000000 также является служебной и
называется «холостым» словом. «Холостые» слова включаются в состав
телеметрического кадра в режиме воспроизведения информации запоми-
нающим устройством.
Запоминающее устройство Э-137 обеспечивает запоминание телеметри-
ческой информации и ее воспроизведение. Запись производится цифро-
вым кодом на магнитной ленте шириной 6,25 мм. Две дорожки исполь-
зуются для записи информации последовательно-параллельным кодом:
на одной из них записываются нечетные разряды, а на другой четные
разряды 10-разрядного кода, поступающего от кодирующего устройства
Б-147Т. Регистрация данных последовательно-параллельном кодом поз-
воляет улучшить использование поверхности магнитного носителя и сни-
зить скорость его протяжки.
231
Современная телеметрия в теории и на практике
Две другие дорожки носителя предназначены для регистрации синхро-
импульсов. На одной дорожке записываются импульсы тактовой частоты
Ft ~-----> которая в два раза ниже частоты F следования символов 10-раз-
рядного кода, а на другой - импульсы с частотой следования слов F л.
Запоминающее устройство Э-137 имеет четыре режима запоминания, раз-
личающихся продолжительностью и скоростью записи информации. Вос-
произведение записанной информации производится в двух режимах, один
из которых соответствует максимальной информативности системы БР-93,
а второй - пониженной.
Воспроизведение информации характеризуется высокой стабильностью
длительностей символов и слов телеметрического сигнала, что необходимо
для достоверного приема информации в условиях помех. Как и в режиме
непосредственной передачи данных, она определяется нестабильностью
кварцевого генератора хронизатора. При этом непостоянство скорости
протяжки магнитной ленты (детонация) приводит лишь к необходимости
включения в состав группового телеметрического сигнала «холостых» слов,
то есть к некоторому снижению полезной информативности системы.
Хронизатор Б-219Т формирует сетку высокостабильных частот, предна-
значенных для синхронизации работы всех устройств системы БР-93-1.
Выбор необходимых частот осуществляется распределительным устройс-
твом Б-103Т1 по соответствующим командам, изменяющим режим работы
системы. Синхронизация кодирующего устройства Б-147Т производится
синхроимпульсами с частотой повторения символов телеметрического сиг-
нала F. Кодирующее устройство формирует синхроимпульсы с частотой
коммутатора каналов ЛК-64Л. В свою очередь, коммутатор каналов син-
хронизирует устройство измерения температур СИТ-17 синхроимпульса-
F
о	СЛ
ми с частотой повторения кадров гКАД =
64
Система измерения температур СИТ-17 обеспечивает поочередное и пери-
одическое (с периодом Т нт) подключение терморезисторов, предназначен-
ных для измерения температурных параметров, к мостовым измеритель-
ным схемам и преобразования выходных сигналов мостовых схем к шкале
постоянного тока 0-6,2 В.
В составе С ИТ-17 имеется два механических коммутатора с шаговым двигате-
лем, каждый из которых работает со своей мостовой измерительной схемой.
Сигналы с выходов мостовых схем поступают на усилители переменного тока
и выпрямители. Коммутаторы СИТ-17 работают синхронно и синфазно. Каж-
дый из них имеет по 32 входа, из которых 29 являются информационными.
232
Глава 3. Средства телеметрии
Датчик времени Б-202Т служит для формирования высокостабильных
сигналов времени, предназначенных для привязки телеметрической
информации в режиме запоминания к команде «НОВ» (Начало отсче-
та времени). Метки времени с необходимой частотой повторения выби-
раются в зависимости от режима, в котором работает система БР-93-1.
Прибор может вызвать метки времени с частотой следования 100; 50; 25;
10; 5; 1; 0,1; 1/60; 1/600 Гц. Прибор обеспечивает выдачу меток време-
ни и при работе от внешнего источника запускающих импульсов с час-
тотой следования 25600, 12800, 6400, 3200, 100, 50 и 25 Гц. Возможна
также синхронизация импульсами с другими частотами следования, но
не выше 25600 Гц. Однако шкала меток времени при этом будет другая.
Прибор позволяет производить фазирование меток времени с помощью
внешних команд. Задающий генератор прибора стабилизирован кварцем
и обеспечивает формирование прямоугольных импульсов с частотой
следования 25600 Гц.
Преобразователь временной информации Б-201Т обеспечивает преобразо-
вание импульсов меток времени прибора Б-202Т или бортового эталона
времени в оцифрованные метки времени, представленные 10-разрядным
двоичным кодом. Оцифровке подвергается каждая секундная или десяти-
секундная метка времени. Начало счета меток времени задается командой
«НОВ» от командной радиолинии или программно-временного устройс-
тва. Перед началом кода времени передается служебный символ «1», затем
10 разрядов кода времени и еще один символ «1». Преобразователь времен-
ной информации Б-201Т подключается к выходу коммутатора каналов
ЛК-64Л. Таким образом, код времени со служебными символами в его на-
чале и конце передается за 12 кадров телеметрического сигнала.
Распределительное устройство Б-103Т1 служит для соединения всех ус-
тройств системы БР-93-1 между собой и управления режимами работы
системы. Распределительное устройство обеспечивает также коммутацию
цепей при проверке работоспособности системы БР-93-1 с помощью на-
земной испытательной аппаратуры Р-617. Команды управления, которые
поступают на устройство Б-103Т1 и число которых достигает нескольких
десятков, задаются замыканием соответствующих цепей («сухих» контак-
тов), а при работе с пультом проверки Р-617 - импульсами положительной
полярности с амплитудой 27 В.
Радиопередатчик Б-158Т генерирует высокочастотные колебания с частотной
модуляцией КИМ2-ЧМ. Рабочих частот 6. Девиация частоты 100-250 кГц.
Стабилизация частоты - кварцевая. Питание радиопередатчика осущест-
вляется от блока питания Б-284Т. Он преобразует напряжение бортовой
сети 27 В в высокое напряжение радиоламп передатчика.
233
Современная телеметрия в теории и на практике
Основные технические характеристики системы БР-93-1
1.	Бортовая радиотелеметрическая система БР-93-1 может работать
в нескольких режимах (табл. 3.7), которым соответствуют определен-
ные частоты следования синхроимпульсов символов F. и слов Fcji [17].
Продолжительность непосредственной передачи ограничивается
допустимым временем непрерывной работы радиопередатчика,
продолжительность режимов записи и воспроизведения может
быть уменьшена в 2 или 3 раза (путем установки соответствующих
кроссировочных заглушек в запоминающем устройстве Э-137).
2.	Среднеквадратическая погрешность измерения параметров, при-
веденная к шкале, составляет:
•	не более 1,17%, как в режиме непосредственной передачи,
режиме воспроизведения при подключении к коммутатору
каналов ЛК-64Л (через блоки кроссировки БК-9Е) потенцио-
метрических измерительных преобразователей с выходным со-
противлением Л < 1 кОм;
•	не более 2,4% при подключении к СИТ-17 с сопротивлением
RT < 50 Ом;
•	не более 1,51% при использовании СИТ-17 в качестве комму-
татора второй ступени коммутации и измерительных преобра-
зователей R <1 кОм.
вых
3.	Максимальное количество функциональных параметров при под-
ключении измерительных преобразователей к коммутатору кана-
лов ЛК-64Л не превышает 60.
Таблица 3.7. Режимы работы БР-93-1
Режим работы	F.. Гц	Pe- ru	Продолжительность, мин
Непосредственная передача	32000	3200	45
	8000	800	45
	1000	100	45
Запись 1	500	50	768
Запись 2	62,5	6,25	6144
Запись 3	32000	3200	12
Запись 4	8000	800	48
Воспроизведение 1	32000	3200	15
Воспроизведение 2	8000	800	60
234
Глава 3. Средства телеметрии
4.	Максимальное количество температурных параметров, передава-
емых с помощью СИТ-17, равно 58. Каналы 30, 31 и 32 в каждом
из коммутаторов являются служебными и служат для передачи
максимального уровня шкалы СИТ-17.
5.	Масса системы БР-93-1 составляет около 50 кг без учета массы
рамы и соединительных кабелей.
Структура группового телеметрического сигнала
Структура группового телеметрического сигнала системы БР-93 показана
на рис. 3.47.
Рис. 3.47. Структура группового телеметрического сигнала БР-93
В режиме непосредственной передачи информации телеметрический кадр
(рис. 3.47а) содержит 64 слова, первое из которых является маркером кадра
(рис. 3.476), а остальные слова - информационными (рис. 3.47в).
В информационных словах младший разряд кода передается первым, а стар-
ший - девятым. Десятый разряд кода является символом четности. Слова
в кадре следуют без разделительных пауз, так что длительность канально-
го интервала Тк равна длительности слова Т (длительности комбинации
10-разрядного кадра). Таким образом:
235
Современная телеметрия в теории и на практике
^=64^=647-,,;
7;,=10Тс,
где Г - длительность одного кодового символа.
Структура телеметрического кадра (рис. 3.47г) в режиме воспроизведения
информации отличается от рассмотренной выше структуры кадра в режиме
непосредственной передачи информации. Это отличие состоит в увеличе-
нии общего числа слов в кадре за счет включения в его состав «холостых»
слов. «Холостые» слова занимают в телеметрическом кадре случайные
места. Среднее число «холостых» слов не превышает 20%, формирование
«холостых» слов происходит в запоминающем устройстве Э-137 в режиме
воспроизведения информации.
При одинаковой частоте следования слов F т( в режимах непосредственной
передачи и записи информации средняя длительность кадра в режиме
воспроизведения Тадв в 1,2 раза больше длительности кадра Ткад в режиме
непосредственной передачи. Запись информации с малой скоростью и ее
ускоренное воспроизведение приводит к трансформации временного мас-
штаба телеметрического кадра. Например, сочетание режимов «Запись 1» -
«Воспроизведение 2» дает сокращение длительности телеметрического
кадра в 16 раз, а «Запись 2» - «Воспроизведение 2» - в 128 раз.
При использовании различных режимов работы система БР-93-1 имеет
только три частоты следования слов F ,( = 100, 800 и 3200 1/с в канале связи.
3.5.3.	Бортовая информационно-телеметрическая
система БР-91Ц
Многоканальная бортовая информационно-телеметрическая система БР-
ЭНД является одним из вариантов бортовой аппаратуры радиотелеметри-
ческого комплекса РТС-9 и предназначена для обеспечения радиотеле-
метрических измерений на искусственных спутниках Земли с передачей
информации по радиолинии РТС-9 КИМ-Ц.
Назначение, состав и технические характеристики БИТС
БИТС БР-91Ц предназначена для обеспечения следующих режимов ра-
боты:
•	непосредственной передачи (НП);
•	запоминания и хранения информации (ЗАПИСЬ);
236
Г лава 3. Средства телеметрии
•	непосредственной передачи одновременно с запоминанием
(НП+ЗАПИСЬ);
•	непосредственной передачи одновременно с воспроизведением за-
помненной информации (НП+ВОСПР. 1,2,3);
•	непосредственной передачи на низкой частоте по высокочастотно-
му кабелю при проведении испытаний объектов на заводе-сборщике
и технической позиции (НП-НЧ).
БИТС обеспечивает привязку запомненной информации к текущему вре-
мени объекта и наземному времени (СЕВ):
•	суммарная выходная информативность системы 25600 измерений
в секунду;
•	информативность радиолинии системы 256000 бит/с;
•	дальность действия системы БР-91Ц до 2000 км в пределах прямой
видимости (при коэффициенте усиления АФУ в провале 0,3). Мини-
мальный угол места 5°.
Система коммутации и кодирования БИТС БР-91 Ц
В системе БР-91 Ц реализован принцип временного разделения каналов с
циклической дисциплиной обслуживания источников информации.
Система коммутации (рис. 3.48) образована тремя ступенями: на 1-й ступе-
ни - «быстрый» основной коммутатор (ОК) на 8 входов; на 2-й ступени -
«медленные» локальные коммутаторы (ЛК) на 32 входа, на 3-й - коммута-
торы системы измерения температур (СИТ) на 32 входа. В БИТС БР-91Ц
возможно подключение одного коммутатора СИТ к любому из локальных
коммутаторов. Максимальное количество коммутаторов СИТ в БР-91 Ц
ограниченно и не должно превышать восьми. Такое количество коммутато-
ров СИТ достаточно для передачи информации медленно меняющихся па-
раметров объектов, телеметрирование которых осуществляется системой
БР-91Ц.
В БИТС БР-91 Ц применяется система измерения температур СИТ-9Л.
Эта система имеет два синфазных коммутатора, на 32 входа каждый, для
передачи температурных параметров и формирователь служебного сигна-
ла СИТ Таким образом, для передачи информации СИТ-9Л необходимо
задействовать 3 канала ЛК: два - для передачи информационных сигналов
СИТ, один - для передачи служебного сигнала СИТ. В системе БР-91 Ц
в ЛК для передачи этих сигналов закреплены соответственно 25-й, 26-й
и 15-й каналы. Служебный сигнал СИТ предназначен для «распаковки»
237
Современная телеметрия в теории и на практике
в приемно-регистрирующий аппаратуре информационных сигналов и
представляет собой меандр с частотой следования импульсов, в 2 раза мень-
шей частоты опроса ЛК, амплитудой U = О В по нечетным каналам служеб-
ного сигнала СИТ (за исключением 31-го канала) и U = 3,1 В по четным
каналам. Амплитуда служебного сигнала СИТ в 31-м канале U = 6,2 В
(маркер СИТ).
Резерв ЛК-8Р
Рис. 3.48. Система коммутации Б Р-91 Ц
Структура группового видеосигнала на выходе системы коммутации БР-
91Ц (АИМ-сигнал) представляет собой 256 временных каналов (32 х 8).
АИМ-сигнал (сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией) преобразует-
ся в последовательный 10-разрядный двоичный импульсный код (сигнал с
кодово-импульсной модуляцией - КИМ), девять разрядов которого - ин-
формационные, десятый - символ четности. КИМ-сигнал манипулирует по
частоте несущую частоту передатчика. Таким образом, тип радиолинии сис-
238
Г лава 3. Средства телеметрии
темы БР-91Ц - КИМ-ЧМ. Достаточно высокая помехоустойчивость ра-
диолинии КИМ-ЧМ, синхронная и синфазная работа коммутаторов 2-й
ступени позволили задействовать для передачи сигналов синхрониза-
ции только один временной канал системы - 256 (32-й канал 8-го ЛК).
Этот сигнал синхронизации называется маркером кадра и представляет
собой кодовую комбинацию из 10 единиц.
Тракт передачи цифровой информации в системе БР-91 Ц
В БИТС БР-91 Ц предусмотрена возможность передачи цифровой инфор-
мации от внешних источников цифровой информации (ЦИ). Цифровая ин-
формация параллельными 8-разрядными словами подается на цифровой
вход локального коммутатора (усилитель цифры), с выхода усилителя че-
рез коммутатор цифровых датчиков на цифровой вход ОК. Для передачи
ЦИ задействуется один или несколько каналов системы. Внедрение слов
ЦИ в структуру ГТС осуществляется в сечении «устройство аналого-циф-
рового преобразования (АЦП) - кодирующее устройство» (АЦП и кодиру-
ющее устройство образуют в ОК шифратор). Во временные интервалы, от-
веденные для передачи ЦИ, система БР-91Ц отключает систему коммутации
и АЦП от входа в кодирующее устройство и подключает к входу кодирую-
щего устройства внешнюю цифровую информацию. Сигналом, синхрони-
зирующим процесс выставления ЦИ на вход системы БР-91Ц и процесс
формирования ГТС, является сигнал «Признак ЦИ», формируемый систе-
мой из АИМ-сигнала на выходе системы коммутации. Структурная схема
тракта передачи ЦИ в системе БР-91Ц приведена на рис. 5.2.
Пусть для передачи ЦИ в системе БР-91 Ц выделен j-ый канал (1-канал
n-го локального коммутатора). Тогда на Z-й вход n-го ЛК необходимо по-
дать отрицательное напряжение, уровень которого меньше 0% телеметри-
ческой шкалы. Это напряжение является признаком передачи ЦИ. Селек-
тор признака ЦИ выделяет этот сигнал из АИМ-сигнала на выходе системы
коммутации и формирует управляющий сигнал, по которому выход АЦП
отключается от входа выходного регистра кода, а ЦИ через устройство вво-
да ЦИ записывается в выходной регистр кода (в 2 ... 9 разряды кода). После
этого последовательный код ЦИ подается на вход кодирующего устройс-
тва, которое формирует значение десятого разряда - символа четности. При
передаче ЦИ первый разряд слова, отведенного для передачи ЦИ, меняет
свое значение от кадра к кадру системы БР-91Ц.
Тракт передачи информации о бортовом времени в системе БР-91 Ц
Методы передачи информации о бортовом времени в штатных БИТС опре-
деляются видом сигнала на выходе устройства, формирующего код номера
239
Современная телеметрия в теории и на практике
метки бортового времени, и возможностями БИТС. На практике широкое
распространение получили два метода:
•	передача кода номера бортовой метки времени как информации фун-
кционального параметра;
•	передача кода номера бортовой метки времени как слов цифровой
информации.
В БИТС БР-91Ц находят применение оба метода.
При получении запомненной информации на Земле ее привязка к наземной
(московской) шкале осуществляется по времени выдачи команды «НОВ».
Частота опроса датчиков, подключенных к входам БИТС БР-91Ц (входам
ЛК), в режиме запоминания много меньше частоты опроса в режиме не-
посредственной передачи. Это является следствием ограниченного объема
бортового долговременного запоминающего устройства и ограниченного
времени сеанса связи при достаточно длительном режиме запоминания
информации. Реально F0 нп > F0 зап в 30-100 раз. Код номера бортовой
метки состоит из 12-ти разрядов (рис. 3.49), первый и последний разряды
которого постоянно равны «1» (маркеры кода бортового времени).
Длительность одного разряда кода выбирается равной длительности кадра
системы БР-91Ц. Поэтому информация о коде номера бортовой метки пе-
редается (в режиме непосредственной передачи) или записывается (в ре-
жиме запоминания) за интервал времени, равный 12-ти кадрам системы.
Следовательно, интервал Т6и меток бортового времени должен удовлетво-
рять соотношению:
Т, 12Т = 12 — .
он	кадр	у-«
^0
Если Fo = 100 Гц, тогда при уменьшении частоты опроса в режиме записи
информации в 33 раза Fo зан = 3Гц, T6u в 4с, реально - Т6в = 10с.
Рис. 3.49 Формирование кода номера бортовой метки
240
Г лава 3. Средства телеметрии
Таким образом, информация о номере метки бортового времени переда-
ется по одному из каналов БИТС БР-91Ц 12-разрядным последователь-
ным двоичным кодом, при этом информация о значении одного разряда
(«О» или «1») 12-разрядного кода передается 10-разрядным кодом (10-й раз-
ряд - символ четности) в канальном интервале (слове ГТС), отведенном
для передачи информации о бортовом времени. Период следования времен-
ного канального интервала равен периоду кадра ГТС. Поэтому информация
о коде номера одной бортовой метки времени передается за 12 кадров ГТС
системы БР-9Щ.
Передача кода номера бортовой метки времени как слов цифровой инфор-
мации в системе БР-91Ц основывается на возможности передачи цифровой
информации по каналам БР-91Ц.
Наиболее распространенными структурами кода бортового времени
являются: одношкальная структура номера метки кода (для кодирова-
ния номера метки используется всё из разрядов кодовой комбинации) и
многошкальная структура, в которой различные слова разрядной циф-
ровой информации кодируют метки времени различных шкал бортового
времени.
Примеры одношкальной структуры (код секунд) и трехшкальной (часы,
минуты, секунды) структуры бортового времени приведены на рис. 3.50.
В обеих структурах информация о бортовом времени передается 17-разряд-
ным кодом. Маркеры Ml и М2 несут информацию об изменении состоянии
кода бортового времени и используются в графических устройствах прием-
но-регистрирующей аппаратуры для выдачи меток на оцифровку.
i - ое слово
Код секунд
i+1 - ое слово
i+2 - ое слово
	1	2	1	2	3	4	5	6		1	2	7	8	9	10	11	12		1	2	13	14	15	16	17		сч I V
t
разряды кода БВ
Код ЧМС
i - ое слово
i+1 - ое слово	i+2 - ое слово
1 2 5 4 3 2 1 аГ 1 2 6 5 4 3 2 1 gj~ 1 2 6 5 4 3 2 1 g]
код минут
t
код секунд
код часов
Рис, 3,50. Одношкальная структура кода бортового времени
241
Современная телеметрия в теории и на практике
Особенности функционирования системы в режиме
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Устойчивость работы системы синхронизации (СС) приемно-регистрирую-
щей аппаратуры (ПРА) в значительной степени определяется стабильнос-
тью формируемой в СС ПРА символьной частоты. Перерывы в потоке по-
ступающей с борта цифровой информаци и нарушают все в иды си нхронизации
в приемно-регистрирующей аппаратуре и поэтому крайне нежелательны.
В то же время существующие бортовые энергонезависимые запоминающие
устройства (ЗУ) большой емкости сталкиваются с проблемами энергопот-
ребления, надежности, массо-габаритными ограничениями.
С целью предотвращения возможных перерывов в передаче воспроизво-
димой информации и обеспечения требуемой стабильности символьной
частоты в системе БР-91Ц в состав группового телеметрического сигнала
в режиме воспроизведения вводятся «холостые» слова - слова длительнос-
тью 10 разрядов, состоящие из одних «нулей». «Холостые» слова вводятся
в состав группового сигнала при отсутствии в буферном ЗУ готового к пе-
редаче информационного слова.
С целью предотвращения потери информации в случае переполнения бу-
ферного ЗУ, вследствие непредусмотренного повышения скорости воспро-
изведения информации из долговременного ЗУ, в системе БР-91Ц реализо-
ван замедленный режим воспроизведения информации, причем замедление
при воспроизведении выбирается равным величине максимально возмож-
ного увеличения скорости протяжки.
Замедление режима воспроизведения информации из долговременного в
буферное ЗУ совместно с нормальным темпом выдачи информации из бу-
ферного ЗУ исключает потерю воспроизводимой информации, но и повы-
шает процент «холостых» слов в потоке ГТС. В системе БР-91Ц замедление
выбрано равным 20% от скорости воспроизведения «идеального» долговре-
менного ЗУ. Поэтому длина кадра в режиме воспроизведения примерно на
20% больше длины кадра системы в режиме непосредственной передачи.
Другими словами, примерно каждое пятое слово в кадре системы в режиме
воспроизведения является «холостым» словом.
Еще одной характерной особенностью режима воспроизведения являет-
ся совмещение режимов воспроизведения и непосредственной передачи
(НП + ВОСПР.): в структуре ГТС в интервалы времени, отводимые для
передачи информации 1-7 локальных коммутаторов, передается воспро-
242
Глава 3. Средства телеметрии
изводимая с ЗУ информация этих ЛК; в интервалы времени, соответству-
ющие каналам 8-го ЛК, - передается информация этого же ЛК в режиме
непосредственной передачи, при этом синхронизация ЛК-8 (переключение
каналов ЛК-8) осуществляется синхросигналами, считываемыми с ЗУ.
При воспроизведении информации в зависимости от направления дви-
жения магнитной ленты порядок следования информации на выходе ЗУ
может быть прямым (воспроизведение прямое) или обратным (воспроиз-
ведение обратное).
При прямом воспроизведении порядок следования каналов ЛК и ЛК на выхо-
де ЗУ аналогичен порядку следования в режиме непосредственной передачи.
В режиме «воспроизведение обратное» порядок следования каналов и ЛК
меняется на противоположный. Это обстоятельство порождает две особен-
ности функционирования БИТС БР-91Ц. Обратный порядок следования
каналов ЛК в воспроизводимой информации обусловливает необходимость
введения обратного хода опроса каналов ЛК-8, работающего в режиме не-
посредственной передачи. Необходимость строгого соблюдения порядка
следования во времени командного слова системы (1-й канал ЛК-1 или 1-е
слово ГТС) за маркером кадра системы (32-й канал ЛК-8 или 256-е слово
ГТС), обусловленная логикой работы приемно-регистрирующей аппарату-
ры в режиме управления по командному слову, требует задержки команд-
ного слова на интервал времени длительностью в два слова и передачи его
в канальном интервале 32-го канала ЛК-7.
Особенности построения кодирующего устройства
Слова цифровой информации, состоящие из десяти единиц или из десяти
нулей в ГТС системы БР-91Ц, являются особенными: маркером кадра и «хо-
лостым» словом соответственно. Однако в некоторых случаях подобные ко-
довые комбинации могут появиться в информационных каналах ГТС. Так,
например, при обрыве датчика на входе соответствующего канального эле-
мента ЛК появится положительное напряжение, значительно превышающее
уровень 100%, АЦП преобразовывает это напряжение в кодовую комбина-
цию «десять единиц», кодирующее устройство добавляет в разряд символа
четности десятую единицу, и в ГТС появляется ложный маркер кадра, кото-
рый приведет к сбою маркерной (кадровой) синхронизации на приемной
стороне. С другой стороны, на вход канала ЛК может быть подано отрица-
тельное напряжение, которое преобразуется АЦП и кодирующим устройс-
твом в кодовую комбинацию «десять нулей». Данная кодовая комбинация
воспримется приемно-регистрирующей аппаратурой как «холостое» слово
и будет исключена из группового телеметрического сигнала, что приведет
243
Современная телеметрия в теории и на практике
к потере телеметрической информации не только данного, но и последую-
щих каналов. С целью предотвращения описанных ситуаций в состав коди-
рующего устройства введены: устройство переполнения «О» и устройство
переполнения «1». Эти устройства анализируют кодовые комбинации в ин-
формационных словах ГТС и преобразуют кодовую комбинацию «десять
нулей» в комбинацию «10000000001» и кодовую комбинацию «десять еди-
ниц» - в комбинацию «0111111110».
3.5.4.	Бортовая информационная телеметрическая
система «Сириус»
Назначение и основные характеристики БИТС «Сириус»
Бортовая аппаратура «Сириус» радиотелеметрической системы БРС-4М
предназначена для сбора и передачи по радиолинии с объектов информа-
ции о телеметрируемых параметрах вибрации в широком диапазоне частот,
высокочастотных давлениях, переходных и ударных процессах, импульсах
и цифровых сигналах.
Различные сочетания основных и вспомогательных блоков позволяют по-
лучить до 30-ти вариантов аппаратуры, отличающихся информационными
возможностями и техническими характеристиками. Основными из этих ха-
рактеристик являются:
•	максимальная общая информативность - 320 000 измерений в секунду;
•	метод передачи информации - аналоговый и аналого-цифровой;
•	режим информационного обслуживания - циклический;
•	частота опроса основного коммутатора первой ступени - 8000,16000,
32000 Гц, коммутаторов второй ступени - 25, 50, 100 Гц (локальный
кодовый коммутатор) и 500, 1000, 2000 Гц (локальный аналоговый
коммутатор), коммутаторов третьей ступени - 0,75; 1,5; 3,0 Гц (воз-
можно повышение частоты опроса в 2, 4, 8 раз);
•	число каналов основного коммутатора - 40, из которых 36 каналов
являются информационными, четыре канала - служебными (39 и 40
используются для передачи маркера основного коммутатора, 19 ка-
нал - для передачи маркера локальных коммутаторов 12, 5 Гц, 30 ка-
нал - для передачи сигнала калибровки 1000 Гц);
•	число каналов локального кодового коммутатора - 128, из которых
62 канала используются для передачи функциональных параметров,
244
Глава 3. Средства телеметрии
64 канала - для передачи сигнальных параметров, два канала - для
передачи сигналов калибровки 0% (61-й канал) и 100% (46-й канал);
•	число каналов локального аналогового коммутатора - 32, из кото-
рых 30 каналов являются информационными, два канала - калибро-
вочными;
•	число каналов локального коммутатора 3-й ступени (для термопар
СС-16Т и терморезисторов СС-16С) - 32, из которых два канала
(СС-16С) и четыре канала (СС-16Т) отводятся для передачи сиг-
налов калибровки;
•	общее количество контролируемых с помощью одного цифрового
коммутатора каналов БЦВМ - 3. Вид информации по каждому кана-
лу - 18-разрядный параллельный двоичный код;
•	емкость программно-временного устройства - 9999 единиц. Диск-
ретность отсчета времени - 1 с, 10 с;
•	структура сигналов бортового времени - 17-разрядный последова-
тельный двоичный код;
•	общее количество команд управления - 16;
•	общий ресурс аппаратуры не менее 2000 часов, время непрерывной
работы - 2 часа с последующим перерывом 1 час.
Бортовая аппаратура предусматривает возможность засекречивания циф-
ровой информации с помощью аппаратуры ЗАС типа «Муравей-А».
Принципы организации информационных процессов в БИТС «Сириус»
БИТС «СИРИУС» реализует принцип временного разделения каналов
с циклической дисциплиной обслуживания источников информации.
Структура ГТС на выходе системы представляет собой 40 временных ка-
налов, частота опроса каждого из которых равна 8 (16) кГц. Система
коммутации - трехступенчатая: первую ступень коммутации образует
«быстрый» основной коммутатор (ОК) на 40 входов, вторую ступень
коммутации образуют «медленные» локальные коммутаторы - кодовые
(ЛК-К) и аналоговые (ЛК-А). ЛК-К имеет 64 входа для подключения
аналоговых датчиков и 64 входа для подключения КД.
Сигнал на выходе ЛК-К представляет собой 64 кодовых слова. Каждое кодо-
вое слово содержит информацию функциональных и контактных датчиков.
Эта информация может быть представлена или двоичным кодом (т = 2), или
четырехосновным кодом (т = 4). Соответственно, кодовое слово будет иметь
длину в 10 или 5 разрядов. При т = 2 амплитуда АИМ-сигнала в каждом
245
Современная телеметрия в теории и на практике
канале преобразуется в последовательный 9-разрядный двоичный код. В 10-м
разряде слова передается информация о состоянии КД («1» - разомкнут,
«0» - замкнут). Преобразование информации из двоичного в четырехоснов-
ный код поясняется рис. 3.51.
m = 4
1	2
3
Рис. 3.51. Преобразование в четырехосновный код
В ЛК-К преобразование входных сигналов четырехосновным последова-
тельным кодом осуществляется путем последовательной реализации опе-
раций преобразования «напряжение - двоичный код», затем «двоичный
код - четырехосновный код». При включении режима кодирования четы-
рехосновным кодом частота опроса каналов ЛК-К и частота преобразова-
ния «напряжение - двоичный код» удваиваются по сравнению с режимом
передачи информации ЛК-К двоичным кодом. Поэтому длина слова (дли-
тельность канального интервала ЛК-К) в режиме m = 4 будет в два раза
короче слова в режиме m = 2. Применение четырехосновного кодирования
в системе «Сириус» позволяет увеличить частоту опроса датчиков, подклю-
чаемых по входам ЛК-К, в два раза, однако помехоустойчивость передачи
информации данных датчиков снижается.
3-ю ступень коммутации образуют «медленные» коммутаторы СИТ (систе-
мы измерения температур) на 32 входа. Коммутаторы СИТ подключаются
к входам ЛК-К. Частота опроса /^датчика, подключенного на вход соответс-
твующей ступени коммутации, определяется соотношениями:
246
Г лава 3. Средства телеметрии
1-я ступень:	Fo ок = 8 (16) кГц;
2-» ступень:	ЛК-А:	- 32;
УУЛК-А
F
ЛК-К: пг = 2, Fo., = ”ок ,
ПУ’ЛК-К
где п = 10 (количество разрядов); Л^к.к = 64;
где п = 5; Улк к = 64.
F
о	г4	ОЛК-К »г	о о
3 ступеиь.	^осит” дт ’ ^сит ~ 32.
iVCHT
При расчете F()CHT необходимо учитывать режим кодирования (двоичный
или четырехосновный) ЛК-К.
Для передачи выходных сигналов СИТ необходимо задействовать два ка-
нала ЛК-К: по одному из них передавать информационный сигнал СИТ,
по второму - служебный сигнал. Служебный сигнал СИТ представляет
собой меандр с частотой следования импульсов, в два раза меньшей часто-
ты опроса ЛК-К, амплитудой 0В по нечетным каналам и 3,1В по четным
(за исключением 32-го канала) каналам служебного сигнала СИТ Ампли-
туда служебного сигнала СИТ в 32-м канале 6,2В (маркер СИТ). Коммута-
торы СИТ, формирующие информационный и служебный сигналы СИТ,
синхронны и синфазны, что позволяет однозначно «распаковать» информа-
ционный сигнал СИТ с помощью служебного сигнала.
Коммутаторы 2-й ступени системы «Сириус» синхронны и синфазны. Фази-
рование коммутаторов осуществляется синхросигналом ОК частоты 12,5 Гц.
Этот же сигнал используется для формирования маркера коммутаторов 2-й
ступени, называемого маркером низкой частоты (МНЧ). МНЧ передается
по 19-му каналу ОК уровнем 100% телеметрической шкалы в том кадре ОК,
во время формирования которого ОК снимает информацию последнего 10-го
разряда 64-го канала ЛК-К, работающего в режиме кодирования двоичным
кодом. Так как период следования МНЧ равен 80 мс, а период опроса ОК -
125 мкс, то уровень 100% МНЧ передается только в одном из 640 кадров
ОК, в остальные 639 кадров ОК по 19-му каналу передается уровень 0%.
Очевидно, что фазирование ЛК-К, работающего в режиме кодирования че-
тырехпозиционным кодом, будет осуществляться не в каждом кадре ЛК-К,
247
Современная телеметрия в теории и на практике
а через кадр (в 1-м, 3-м, 5-м и т. д.). Фазирование ЛК-А будет осуществлять-
ся в FonKK(m = 2)/Г0ЛК Араз реже, то есть один раз за 20 кадров ЛК-А.
Для радиолинии БИТС «Сириус» характерно совмещение аналоговой
и цифровой линий передачи информации. Аналоговая линия образована
аналоговым локальным коммутатором, основным коммутатором, пере-
датчиком с ЧМ-модуляцией, приемно-регистрирующей аппаратурой.
Тип радиолинии: АИМ-ЧМ. Цифровая линия передачи информации об-
разована цифровым локальным коммутатором, основным коммутато-
ром, передатчиком с ЧМ-модуляцией приемно-регистрирующей аппара-
туры. Типы радиолиний: КИМ2-ЧМ, КИМ4-ЧМ. Совмещение типов
радиолиний демонстрируется на рис. 3.52.
Рис. 3.52. Совмещение в радиолинии БИТС «Сириус»
БИТС «СИРИУС» реализует циклический способ обслуживания источни-
ков информации (датчиков, источников цифровой информации); Тип пере-
даваемых сообщений:
•	телеизмерения;
•	цифровая информация внешних источников.
248
Глава 3. Средства телеметрии
Способы передачи:
•	непосредственная передача;
•	запись с последующим воспроизведением информации.
Режимы работы ЗУ:
•	«линейка» (запоминание до заполнения ЗУ);
•	«кольцо» (запоминание со стиранием «устаревшей» информации).
Рис. 3.53. Формирование ГТС БИТС «Сириус»
Структура АИМ-сигнала на выходе ОК представлена на рис. 3.65а. 39-й
и 40-й каналы ОК отведены для передачи маркера основного коммутатора
(МВЧ). МВЧ формируется подачей на 39-й, 40-й входы ОК напряжения
U = 3,1В. Основной коммутатор формирует последовательность вырезаю-
щих импульсов с периодом следования, равным по длительности половине
канального интервала ОК. Во временном интервале сорокового канала вы-
резающий импульс не формируется (рис. 3.536). При формировании груп-
пового радиосигнала вырезающие импульсы позволяют устранить переход-
ные помехи между каналами ОК и надежно разделять каналы ОК на
приемной стороне. Канал ОК №19 отведен для передачи МНЧ, 30-й канал
249
Современная телеметрия в теории и на практике
- для передачи стандартного синусоидального сигнала частотой 1кГц. Сиг-
нал 1 кГц предназначен для оценки качества передачи информации по ра-
диолинии БИТС «Сириус». Оценка основана на сравнении синусоидаль-
ного сигнала с эталонным сигналом на приемной стороне и калибровки
каналов ОК.
Структурная схема БИТС «Сириус»
Бортовая аппаратура «Сириус» выполнена в виде отдельных функциональных
блоков. Комплект блоков аппаратуры, состоящий из основного коммутатора
СС- 16Б, блока включения СС-15 и передатчика, является основным. Получение
других вариантов аппаратуры достигается применением необходимого количес-
тва различных типов локальных коммутаторов 2-й и 3-й ступеней коммутации,
запоминающих устройств и соответствующих вспомогательных блоков. Состав
конкретного варианта аппаратуры определяется программой телеизмерений.
На рис. 3.54. представлена структурная схема, поясняющая возможные вари-
анты включения локальных коммутаторов 2-й и 3-й ступеней коммутации.
СТУПЕНИ КОММУТАЦИИ
3-я ступень	2-я ступень 1тя ступень
Рис. 3.54. Система коммутации БИТС
250
Глава 3. Средства телеметрии
3.5.5.	Бортовая информационная телеметрическая
система «Кварц» («Скут»)
БИТС «Кварц» предназначена для сбора и передачи телеметрической
информации о состоянии бортовых систем сложных высокодинамичных
объектов, в первую очередь на этапе их испытаний. По структурам сигна-
лов и по составу основных,и вспомогательных блоков БИТС «Кварц» со-
ответствует БИТС «Сириус» с определенными отличиями в организации
процессов формирования и передачи результирующего группового теле-
метрического сигнала. Это обусловлено высокими (и противоречивыми)
требованиями к информативности БИТС и помехоустойчивости телемет-
рической линии связи для указанных объектов контроля.
Структурная схема бортовой ИТС «Кварц» приведена на рис. 3.55.
Система коммутации БИТС «Кварц» организована двумя одинаковыми
системами коммутации, каждая из которых аналогична системе коммута-
ции БИТС «Сириус». Частота опроса каналов ОК равна 16 кГц. Ко входам
основных коммутаторов подключены одни и те же коммутаторы 2-й ступе-
ни, причем информация с коммутаторов 2-й ступени тракта «Б» поступает
на ОК с задержкой, равной трем секундам.
Рис. 3.55. Система коммутации БИТС «Кварц»
251
Современная телеметрия в теории и на практике
Задержку обеспечивает статическое кольцевое запоминающее устройство
(КЗУ), включенное между 2-й и 1-й ступенями коммутации тракта «Б».
Поток «А» передается на несущей частоте Fft, поток «Б» передается на час-
тоте F + ДГ(ДГ = 3 МГц). Таким образом обеспечивается разнос по часто-
те и времени передачи информации. Разнесение по частоте и времени
двух идентичных (с точки зрения передаваемой телеметрической инфор-
мации) потоков (ГТСА и ГТСБ) имеет целью повышение помехоустойчи-
вости передаваемой информации. Такой метод наиболее эффективен для
телеметрических радиолиний, в которых имеют место кратковременные
пропадания сигнала, обусловленные поворотом объекта двигательной
установкой в сторону антенны наземной приемно-регистрирующей стан-
ции либо экранированием передающих бортовых антенн слоем высоко-
температурной плазмы.
Суммарная информативность БИТС «Кварц» - 1280 кБит/с (кодовая
структура кадра) и 1280 кИзм/с (многопозиционная структура кадра)
БИТС «Скут» полностью аналогична аппаратуре «Кварц» и использу-
ется при телеметрировании (во время испытаний) отдельных объектов
ракетной техники.
3.5.6.	Бортовая информационная телеметрическая
система «Скиф»
Бортовая ИТС «Скиф» предназначена для работы на изделиях техники
с жесткими ограничениями [1]. Структура и временные параметры груп-
пового телеметрического сигнала БИТС «Скиф» полностью идентичны
БИТС «Сириус», однако принципы построения бортовой аппаратуры су-
щественно отличаются. Структурная схема БИТС «Скиф» представлена на
рис. 3.56.
Основная часть БИТС выполнена в виде моноблока устройства форми-
рования кадра (УФК). Данное устройство предназначено для сбора и
преобразования в код медленно меняющихся аналоговых процессов,
сбора информации с цифровых датчиков, подключения внешних локаль-
ных коммутаторов и запоминающих устройств, а также формирования
единого выходного кадра. УФК формирует синхронизирующие и такто-
вые импульсы, необходимые для синхронной работы всех блоков систе-
мы. Устройство обеспечивает самоконтроль выходной мощности ПРД и
питающего напряжения за счет использования функциональных кана-
лов в телеметрическом кадре. Встроенное ПВУ позволяет вырабатывать
18 команд управления внешними устройствами и цифровой код борто-
вого времени. Четыре команды управления, выдаваемые на внешнее ЗУ
252
Глава 3. Средства телеметрии
(«Исходное», «Запись», «Воспроизведение», «Стоп») контролируются
по собственным каналам УФК.
Рис. 3.56. Структурная схема БИТС «Скиф»
В УФК конструктивно реализованы:
•	первая ступень коммутации в виде 40-входового ОК;
•	вторая ступень коммутации в составе 64-входового аналогового ЛК,
128-входового цифрового коммутатора ЛК-Ц, АЦП, коммутатора
цифровых потоков с локальных коммутаторов КЛК, формирователя
выходного кода.
В случае необходимости возможно наращивание системы коммутации
за счет подключения дополнительных ЛК СС-1М, СС-17Ц, «Маскит-32»
(коммутатора для температурных параметров) из состава БИТС «Сириус».
Без внешних Л К устройство формирования кадра обеспечивает подключе-
ние 64-х аналоговых датчиков, 16-ти восьмиразрядных цифровых датчи-
ков. С помощью кроссировки возможно изменение частоты синхрониза-
ции внутренних и внешних коммутаторов, что позволяет реализовать
основное значение информативности БИТС 320 тыс. изм/с и дополни-
тельные значения 160, 640 или 1280 изм/с.
253
Современная телеметрия в теории и на практике
3.5.7.	Приемно-регистрирующая аппаратура
МА-9МКТМ-4
Назначение и состав системы
Наземная радиотелеметрическая станция МА-9МКТМ-4 предназначена для:
•	приема телеметрической информации с бортовой ИТС по радиока-
налу и по видеочастоте;
•	преобразования и регистрации полного объема информации на маг-
нитном запоминающем устройстве;
•	открытой регистрации части информации на графических и цифро-
печатающих устройствах;
•	выдачи информации в линию связи.
В состав аппаратуры МА-9МКТМ-4 входят:
•	антенно-приемная система (АПС) Б529М;
•	коммутационное устройство (КУ) ТУ640;
•	универсальная радиотелеметрическая станция УРТС-2.
Антенно-приемная система Б529М предназначена для приема, выделения
и демодуляции радиосигналов телеметрической информации.
Коммутационное устройство<ТУ640 обеспечивает управление цепями ин-
дикации режимов работы и выдачу групповых телеметрических видеосиг-
налов на входы каждой из двух систем УРТС-2 (рис. 3.57).
Рис. 3.57. Общая схема МА-9МКТМ-4
254
Глава 3. Средства телеметрии
Технические характеристики МА-9МКТМ-4
ПРА МА-9МКТМ-4 обеспечивает:
1.	Работу с различными модификациями бортовой аппаратуры
радиотелеметрической системы РТС-9 аналогового и цифро-
вого типов (режим «РТС-9 ВИМ» и режимы «РТС-9КИМ-Ц»,
«РТС-9 КИМ-А») и радиотелеметрической системы «Трал» (ре-
жим «Трал»).
2.	Преобразование ГТС (независимо от режимов работы) к единой
адресной структуре сигналов.
3.	Преобразование и регистрацию ТМИ при следующей информа-
тивности:
•	в режиме «РТС-9 ВИМ» - 25600,12800, 6400, 3200 изм/с;
•	в режиме «РТС-9 КИМ-Ц - 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000,
32000, 64000, 128000,512000 дв.ед./с;
•	в режиме «РТС-9 КИМ-А» 1000, 8000, 32000, 256000 дв.ед/с.
4.	Наведение антенны и сопровождение объекта по азимуту и углу
места в режимах ручного и программного наведения, а также в ре-
жиме автоматического сопровождения.
5.	Предельные углы наведения антенны в режиме автосопровожде-
пия по углу места от 0° до 108° и по азимуту ± 270°.
6.	Запоминание с последующим воспроизведением полного объема
принимаемой информации на магнитную ленту.
7.	Открытую графическую регистрацию части телеметрической ин-
формации о сигнальных и функциональных параметрах на элект-
рохимическую бумагу.
8.	Регистрацию информации в режиме телесигнализации в виде
табуляграммы с помощью цифропечатающего устройства.
9.	Визуальное отображение части телеметрической информации
на экране блока визуального наблюдения.
10.	Выдачу телеметрической информации в виде частично-уплотненно-
го сигнала по одному коаксиальному кабелю на расстояние до 2 км
на аналогичную аппаратуру, а также ввод информации в аппаратуру
обработки информации СТИ-90М и в аппаратуру сопряжения с вы-
сокочастотным широкополосным „каналом связи (ВШК).
И. Контроль технического состояния аппаратуры и качества прини-
маемой информации.
255
Современная телеметрия в теории и на практике
Назначение и состав системы У РТС-2
Станция УРТС-2 предназначена для преобразования, регистрации, отображе-
ния и воспроизведения телеметрической информации, полученной по видео-
частоте с приемного устройства, объекта испытания или объекта управления.
В состав УРТС-2 входят следующие подсистемы, выделяемые по конструк-
тивному признаку:
а)	аппаратура синхронизации и первичной регистрации (АСПР);
б)	подсистема нормализации и графической регистрации (ПНГР);
в)	подсистема цифровой регистрации (ПЦР);
г)	аппаратура управления и контроля.
Рассмотрим состав и назначение подсистем УРТС-2.
АСПР включает в себя:
•	устройство синхронизации и преобразования информации (стойка
ТУ621М);
•	устройство магнитной регистрации (стойка 17С06 -17С07).
АСПР обеспечивает:
•	выделение из ГТС синхросигналов и формирование искусственных
синхроимпульсов;
•	выделение из ГТС измерительной информации и преобразование ее
для регистрации на магнитном запоминающем устройстве (МЗУ);
•	Запись на МЗУ информации о параметрах бортовой аппаратуры
(БА), синхросигналов, сигналов времени, служебной телеметрии
(СТМ), командно-программной информации об условленных режи-
мах работы УРТС-2, а также легендной информации;
•	воспроизведение с МЗУ перечисленных выше сигналов; выдачу все-
го объема измерительной и служебной информации в аппаратуру об-
работки (СТИ-90М) и трансляцию данных (ВШК).
ПНГР содержит:
•	устройство нормализации (ТУ630М2);
•	устройство графической регистрации (две стойки ГУ-1);
•	сервисные устройства, обеспечивающие работу нормализатора;
•	устройство подготовки программы;
•	устройство ввода программ с перфоленты.
256
Глава 3. Средства телеметрии
Подсистема обеспечивает:
•	дешифрацию информационной части псевдокадра (ПСК) для адрес-
ных структур ГТС;
•	приведение информации, поступающей в подсистему, в стандартную
адресную структуру, когда для каждого информационного слова ГТС
формируется определенный адрес;
•	отбор из всего потока телеметрической информации той ее части, ко-
торая предназначена для регистрации на ГУ;
•	адресацию отобранной информации на заданные дорожки выбран-
ных лентопротяжных механизмов;
•	регистрацию выбранной по программе телеизмерений информа-
ции на ГУ.
ПЦР состоит из двух устройств:
•	устройство подготовки информации для цифропечати ТУ633М;
•	малогабаритное печатающее устройство МПУ-16-2.
Подсистема цифропечати обеспечивает:
•	подготовку формата слов и печати в двоичном или десятичном коде
информации о бортовых событиях (БС);
•	вывод на печать программ дешифрации ПСК и программ выбора
и адресации с целью контроля их правильности.
В состав аппаратуры управления и контроля входят:
•	пульт дистанционного управления и контроля (ТУ627М);
•	устройство формирования команд управления УРТС-2 (ТУ635-03М);
•	устройство визуального наблюдения;
•	устройство имитации ГТС (ТУ638).
Существует три способа управления системой:
•	автономный;
•	дистанционный;
•	командно-программный.
Автономное управление и контроль осуществляются органами управле-
ния, расположенными непосредственно на лицевых панелях стоек УРТС-2.
Дистанционное управление системой производится с блоков управления
и контроля, размещенных в пульте управления ТУ627М. На каждую под-
систему имеется свой блок управления и контроля.
9 Зак. 861
257
Современная телеметрия в теории и на практике
Для командно-программного способа управления существует три вида
программ:
•	программа дешифрации ПСК;
•	программа выбора и адресации;
•	программа управления режимами работы.
О первых двух видах программ речь уже шла выше. Последний вид програм-
мы составляется оператором на основании исходных технологических дан-
ных о КА и режимах работы наземной аппаратуры. Этот вид программы со-
стоит из команд управления, которые набираются с помощью штырьков
на наборном поле блока формирования команд дистанционного управления.
Структурная схема УРТС-2
Структурную схему системы (рис. 3.58) рассмотрим с позиции информаци-
онных процессов, протекающих в УРТС-2.
Рис. 3.58. Структурная схема аппаратуры УРТС-2
С этой точки зрения выделим в схеме четыре тракта:
•	синхронизации;
•	преобразования информации;
258
Глава 3. Средства телеметрии
•	формирования и преобразования информации о времени;
•	формирования сигналов служебной телеметрии (СТМ), управления
и контроля.
В зависимости от структуры ГТС входной сигнал может иметь вид либо
последовательности импульсов с времяимпульсной модуляцией (для струк-
тур сигналов ВИМ-9 или «Трал»), либо последовательного потенциально-
го кода информации (для структур сигналов КИМ-Ц, КИМ-А при работе
системы с собственной радиолинией), либо в виде импульсного кода нулей
и единиц при работе с объектом управления в процессе сборки и испыта-
ний (рис. 3.59).
Рис. 3.59. Структура ГТС
Потенциальный код информации может поступать на вход системы как
в виде двоичного, так и бидвоичного кода.
В блоке ТУ621-М применена система точной фазовой автоподстройки
частоты внутреннего генератора символьных синхроимпульсов по вход-
ному сигналу. Здесь же производится опознавание знаков символов еди-
ниц или нулей интегральным способом. Устройство опознавания является
регенеративной схемой, восстанавливающей с определенной достовернос-
тью символы входного сигнала, искаженные шумами.
259
Современная телеметрия в теории и на практике
Тракт преобразования информации
Для структуры сигнала ВИМ-9 в тракте преобразования информации
(ТУ621М) происходит преобразование ГТС из аналоговой формы в цифро-
вую, которая удобна для последующей регистрации, обработки и ввода в ЭВМ.
Перекодирование осуществляется в преобразователе ВИМ - КИМ и за-
ключается в представлении временных интервалов между опорными и из-
мерительными импульсами параллельным 9-разрядным двоичным кодом,
отображающим число, пропорциональное величине телеметрируемого па-
раметра. Для преобразования информации используется широко извест-
ный метод последовательного счета.
Для структуры сигнала КИМ-Ц последовательный код единиц с селектора
частоты символов поступает в устройство преобразования последователь-
ного кода в параллельный.
В структуре сигналов КИМ-А информационная часть поступает в норма-
лизатор для нарезки на смысловые слова.
Преобразованная информация с выхода ТУ621 поступает в аппаратуру
нормализации сигнала (ТУ630-М2), а также на устройства регистрации
(МЗУ, ГУ, МПУ) и отображения информации (блок визуального наблюде-
ния БВНТУ626М).
В зависимости от структуры сигнала и информативности при регистрации
на МЗУ (стойка 17С06-17С07) применяют три режима записи:
1)	истинными словами;
2)	условными словами;
3)	последовательным кодом с дублированием.
Запись информации истинными словами используется для структур сиг-
налов «ТРАЛ», ВИМ-9, КИМ-Ц, когда слова, несущие информацию о теле-
метрируемых параметрах, преобразованы в 9- или 10-разрядный параллель-
ный код и каждое слово сопровождается своим синхроимпульсом. Запись
на МЗУ в этом случае осуществляется параллельным кодом.
3.5.8. Приемно-регистрирующая аппаратура ПРА-МК
Назначение и технические характеристики ПРА-МК
Аппаратура ПРА-МК предназначена для работы в составе комплекса
средств «быстрой» телеметрии БРС-4МК (БРС-4, БРС-4М). Она обес-
260
Глава 3. Средства телеметрии
печивает прием, преобразование, регистрацию и выдачу на обработку
измерительной информации от различных модификаций бортовой теле-
метрической аппаратуры системы БРС-4М «Кварц», «Сириус», «Скут»,
ИС-1162.
1.	Диапазон частот принимаемых волн:
•	метровый (три поддиапазона MI-M3, фиксированные частоты
настройки);
•	дециметровый (два поддиапазона Д1, Д2, фиксированные час-
тоты настройки, перенос частоты дециметрового диапазона
в метровый осуществляется в антенном комплексе).
2.	Максимальная информативность при приеме сигнала по ра-
диоканалу или по видеоканалу (с использованием аппаратуры ре-
трансляции видеосигналов):
•	от одного устройства «Кварц» («Скут») - 1280 кБит/с (кодо-
вая структура кадра) и 1280 кИзм/с (многопозиционная
структура кадра);
•	от двух бортовых устройств «Сириус» - 2 х 640 кБит/с (ко-
довая структура кадра) и 2 х 640 кИзм/с (многопозиционная
структура кадра);
•	от одного бортового устройства «Сириус» - 640 кБит/с (кодо-
вая структура кадра) и 640 кИзм/с (многопозиционная струк-
тура кадра).
3.	Аппаратура ПРА-МК обеспечивает:
•	выдачу принимаемой информации в темпе приема на аппа-
ратуру оперативного представления информации в аналоговом
или цифровом виде в структуре условного кадра;
•	выдачу измерительной информации в темпе приема и при вос-
произведении в цифровом виде в аппаратуру обработки и ото-
бражения Спектр-А2, Спектр-АО, Спектр-Bl, ВЛ-АОВИ-06
и аппаратуру средств обработки и передачи данных ВЛ-1033;
•	формирование и регистрацию дополнительной легендной ин-
формации (признак легендного слова, год, месяц, число, часы и
минуты сеанса связи, код аппаратуры ПРА-МК, код програм-
мной работы, код изделия, код территории) и легендной старто-
вой информации (признак «Старта», год, месяц, число, час, ми-
нута, секунда, миллисекунда старта);
261
Современная телеметрия в теории и на практике
•	сбор, формирование и регистрацию вспомогательной инфор-
мации, характеризующие качество принимаемой информации,
углы поворота антенн, номера несущих частот, режима работы,
качество функционирования отдельных устройств.
4.	Время вхождения в режим синхронизации и регистрации инфор-
мации после появления сигнала, переключения на прием сигнала
другой частоты или переключения потоков информации не пре-
вышает 0,35 с. Ускоренное вхождение в синхронизм при отсутст-
вии помех в канале связи не превышает длительности одного цик-
ла опроса локального цифрового коммутатора.
5.	Величина шумов и взаимовлияний между любыми каналами кадра
основного коммутатора бортового устройства «Сириус» в аппара-
туре ПРА-МК не более 5% от полной шкалы.
6.	Нелинейность амплитудной характеристики любого измеритель-
ного канала аппаратуры не более 5%.
7.	Максимальное время регистрации потока информации бортового
устройства «Кварц» на единый магнитный носитель - 1400 с.
8.	Регистрация информации при скорости записи:
•	3048 мм/с для регистрации в структуре С4 информации бор-
тового устройства «Сириус» с многопозиционной и комби-
нированной структурой кадра;
•	1524 мм/с для регистрации в структуре С1 информации бор-
тового устройства «Кварц»;
•	1524 мм/с для регистрации в структуре С2 информации двух
бортовых устройств «Сириус» с кодовой комбинацией;
•	762 мм/с для регистрации в структуре СЗ информации бор-
тового устройства «Сириус» с кодовой информацией.
9.	Максимальная суммарная полезная информативность регистри-
руемых потоков 3200000 бит/с при скорости движения ленты
3048 мм/с и, соответственно, в 2П раз ниже при других скоростях.
Особенности обработки информации
Передача информации от одного бортового устройства «Кварц» или двух
бортовых устройств «Сириус» осуществляется потоками А и Б: информа-
ция потока А передается на одной несущей частоте и преобразуется в тракте:
блок антенных усилителей - аппаратура коммутации трактов - устройство
262
Глава 3. Средства телеметрии
фильтров и гетеродинов - устройство демодуляции сигналов - устройство
преобразования и формирования - устройство преобразования сигналов - ус-
тройство преобразования информации ~ устройство преобразования сигна-
лов; информация потока Б - на другой несущей частоте и преобразуется в
тракте: блок антенных усилителей - аппаратура коммутации трактов - уст-
ройство фильтров и гетеродинов - устройство демодуляции сигналов - уст-
ройство преобразования и формирования - устройство преобразования сигна-
лов - устройство преобразования информации ~ устройство преобразования
сигналов. Передача информации от одного бортового устройства «Сириус» ве-
дется одним потоком и преобразуется в одном из вышеприведенных трактов.
Синхросигналы и видеокод выбранного ствола устройства демодуляции
сигналов подаются на вход устройства преобразования и формирования,
которое производит:
•	стабилизацию информационного видеокода при изменении его уров-
ня на 40% от нормального значения на входе до 3% - на выходе уст-
ройства преобразования и формирования и выдачу его в аппаратуру
оперативного представления информации;
•	преобразование измерительного видеокода в параллельный 8-раз-
рядный двоичный код, называемый основной информацией;
•	преобразование сигналов времени, легендной информации и вспомо-
гательной информации для регистрации на магнитную ленту на мес-
то старшего разряда 40-го канала ОК.
8-разрядный параллельный код основной информации в сопровождении
синхроимпульсов и последовательный код служебной ТМИ поступают
из устройства преобразования и формирования на вход устройства пре-
образования сигналов.
В состав аппаратуры ПРА-МК входит устройство контроля и управления,
которое предназначено для централизованного дистанционного контроля
и управления режимами работы аппаратуры ПРА-МК и подключения к ней
входов аппаратуры коммутации трактов. Устройство контроля и управле-
ния обеспечивает:
•	формирование и выдачу в магистраль управления кодовых команд
управления устройствами аппаратуры ПРА-МК по восьми програм-
мам работы;
•	выдачу команд управления входами четырех комплектов аппаратуры
коммутации трактов по восьми программам работы;
•	отображение на экранах видеоконтрольных устройств информации
о режимах работы и состоянии устройств аппаратуры ПРА-МК;
263
Современная телеметрия в теории и на практике
•	формирование тестовых сигналов видеокода для проверки работы
аппаратуры;
•	отображение на осциллографе и видеоконтрольных устройствах тес-
товой и измерительной информации в структуре основного, одного
кодового или двух аналоговых локальных коммутаторов.
Управление работой аппаратуры ПРА-МК с УКУ осуществляется четырь-
мя способами:
•	вручную с помощью органов управления, размещенных на панелях
оперативного управления и контроля аппаратуры;
•	по предварительно набранным на панелях программного управления
программам работы с ручным выбором одной из восьми программ;
•	по предварительно набранным программам работы с ручным выбо-
ром и с программно-временным управлением протяжкой цифрового
устройства регистрации от устройства сигналов времени (временное
управление);
•	через внешнее управление включением ПРА, выбором предвари-
тельно набранной программы работы и протяжкой цифрового устрой-
ства управления (внешнее управление).
Антенные системы аппаратуры ПРА-МК
Станция БРС-4МК способна принимать сигналы с антенных систем «Жем-
чуг», «Изумруд». Для обеспечения приема телеметрической информации
при протяженностях радиолиний связи, превышающих 3000 и более км,
станция может работать с антенной системой Б-529 («Ромашка»), применя-
емой в приемно-регистрирующей аппаратуре МА-9МКТМ4 радиотелемет-
ричсской системы РТС-9. Антенные системы «Жемчуг» и «Изумруд» анало-
гичны по построению и отличаются количеством ячеек в антенной решетке.
Поверхность антенны «Жемчуг» состоит из 7-ми больших шестигранных
ячеек, вертикальные плоскости которых образуют своего рода волновод, в
центре которого расположен симметричный крестообразный вибратор мет-
рового диапазона волн. Крестообразный вибратор обеспечивает прием волн
с вертикальной и горизонтальной поляризацией.
В каждой из больших шестигранных ячеек установлена 21 малая элемен-
тарная ячейка, схожая по форме и построению с большой ячейкой. В каж-
дой из элементарных ячеек расположен симметричный крестообразный
вибратор, обеспечивающий прием волн дециметрового диапазона с верти-
кальной и горизонтальной поляризацией.
264
Глава 3. Средства телеметрии
Формирование острой (4°-5° в дециметровом диапазоне и 15°-18° в метро-
вом диапазоне) и широкой (10°-15° в дециметровом и 50°-70° в метровом
диапазонах) диаграммы направленности осуществляется подключением
всей антенной решетки либо ее центральной ячейки.
Поверхность антенны «Изумруд» состоит из 49-ти больших шестигранных
ячеек, обеспечивающих прием волн метрового диапазона с вертикальной и го-
ризонтальной поляризацией. Диаграмма направленности антенны - 5,5°-10°.
Существенной особенностью системы БРС-4М является то, что в случае
комплектации ее наземной приемно-регистрирующей аппаратурой типа
ПРА-МК она может одновременно работать с 8-ю бортовыми системами.
Распределение поступающих потоков информации с выхода блоков ан-
тенных усилителей осуществляется с помощью аппаратуры коммутации
трактов. Данная аппаратура распределяет потоки по полукомплектам аппа-
ратуры ПРА-МК, по стволам полукомплектов аппаратуры приема и демо-
дуляции, по ветвям стволов аппаратуры приема и демодуляции (сигналы
горизонтальной или вертикальной поляризации).
Тракт прохождения сигналов в аппаратуре ПРА-МК
Структурная схема аппаратуры ПРА-МК представлена на рис.3.70. Совокуп-
ность устройств фильтров и гетеродинов (УФГ) и устройств демодуляции
сигналов (УДС), осуществляющих прием и преобразование высокочастотных
сигналов в видеосигналы, образует АПД. Совокупность устройств преобразо-
вания и формирования (УПФ), устройства преобразования сигналов (УПС),
осуществляющих преобразование полученных видеосигналов в структуры, не-
обходимые для регистрации и выдачи потребителям, образует аппаратуру пре-
образования сигналов (АПС). В радиолинии БРС-4МК ввиду нестабильности
положения объекта в пространстве и условий распространения волн различных
частот излученные бортовой аппаратурой сигналы принимаются в вертикаль-
ной и горизонтальной плоскостях поляризации. Тракт приема и преобразования
сишалов одной частоты (потока) в АПД называется стволом, а тракт приема
сигналов одной частоты, различающихся по поляризации, называется ветвью.
Передача информации от одного бортового устройства «Кварц» или двух
бортовых устройств «Сириус» осуществляется потоками А и Б: информа-
ция потока А передается на одной несущей частоте и преобразуется в тракте
БАУ - АКТ - УФГ-1 - УДС-1 - УПФ-1 - УПС - УПИ-1 - УПС, информация
потока Б - на другой несущей частоте и преобразуется в тракте БАУ - АКТ -
УФГ-2 - УДС-2 - УПФ-2 - УПС - УПИ-2 - УПС. Передача информации
от одного бортового устройства «Сириус» ведется одним потоком и преоб-
разуется в одном из вышеприведенных трактов.
265
Современная телеметрия в теории и на практике
АПД производит фильтрацию принятого радиосигнала, его усиление, де-
модуляцию, формирование тактовых и кадровых синхросигналов, а также
автокомбинирование видеосигнала - сравнение и выбор лучшей из двух
ветвей поляризации.
Синхросигналы и видеокод выбранного ствола УД С подаются на вход У ПФ.
УПФ производит: стабилизацию информационного видеокода при измене-
нии его уровня на 40% от нормального значения на входе до 3% - на выходе
УПФ и выдачу его в аппаратуру АОПИ; преобразование измерительного
видеокода в параллельный 8-разрядный двоичный код; преобразование
сигналов времени, легендной информации и вспомогательной информации
для регистрации на магнитную ленту.
УФГ предназначено для фильтрации радиосигналов по четырем каналам на
фиксированных частотах, преобразованных в диапазонах метровых волн (в
т. ч. на частотах, преобразованных из диапазона дециметровых волн), одно-
временной выдачи двух напряжений соответствующих гетеродинных час-
тот и выбора частоты работы станции.
АОПИ - аппаратура оперативного представления информации; УУК - уст-
ройство управления и контроля; СИ - синхроимпульсы; УРК - устройство
распределения команд; ВК - видеокод; УПК - устройство переключения
команд; ВИ - временная информация; АРВ - аппаратура ретрансляции;
ОВ - оцифровка времени;
Рис. 3.60. Структурная схема аппаратуры
ПРА-МК 4
266
Глава 3. Средства телеметрии
Фильтрация радиосигналов по двум каналам и выдача напряжения одной
из гетеродинных частот обеспечивается отдельным стволом. УФГ имеет два
идентичных ствола.
УДС предназначено для бесподстроечного приема и преобразования ра-
диосигналов БРС-4М в видеосигналы: измерительный видеокод и сигналы
тактовой и кадровой синхронизации.
УПС предназначено для восстановления непрерывности входных инфор-
мационных потоков, их коммутации, формирования структур регистра-
ции на УРЦ.
УПИ предназначено для преобразования информации в структуры, тре-
буемые для ввода в систему «Спектр-Б1». УПИ обеспечивает: ввод ин-
формации от аппаратуры ПРА-МК; обработку информации; ввод инфор-
мации с цифровой линии связи; преобразование вводимой информации
в структуры, необходимые для ввода в систему «Спектр-Б1»; визуальное
наблюдение выходных структур преобразования информации.
Устройство регистрации цифровое (УРЦ) предназначено для записи, вос-
произведения и перезаписи цифровой информации. Оно обеспечивает ре-
гистрацию и воспроизведение: двух синхронных информационных потоков
с асинхронными служебными каналами (такой режим работы используется
в аппаратуре ПРА-МК); двух синфазных информационных потоков с асин-
хронными служебными каналами. Каждый из регистрируемых потоков
включает в себя ОИ (разряды 1-8), символ четности, служебные каналы
(разряды 9,10) и импульсы синхронизации. Запись речевого комментария
производится по 24-й дорожке МЛ.
Устройство контроля и управления (УКУ) предназначено для централизо-
ванного дистанционного контроля и управления режимами работы аппара-
туры ПРА-МК и подключения к ней входов аппаратуры АКТ. УКУ обеспечи-
вает: формирование и выдачу в магистраль управления кодовых команд
управления устройствами аппаратуры ПРА-МК по восьми программам рабо-
ты; выдачу команд управления входами четырех комплектов аппаратуры
АКТ и УФГ по восьми программам работы; отображение на экранах ВКУ
информации о режимах работы и состоянии устройств аппаратуры ПРА-МК;
формирование тестовых сигналов видеокода для проверки работы аппарату-
ры; отображение на осциллографе и видеоконтрольных устройствах тесто-
вой и измерительной информации в структуре основного, одного кодового
или двух аналоговых локальных коммутаторов.
267
Современная телеметрия в теории и на практике
ЛИТЕРАТУРА К РАЗДЕЛУ 3
1.	Аш Ж., Андре П., Бофрон Ж. Датчики измерительных систем. - М.: Мир,
1992 г.
2.	Багдатоев Е. Е., Ефимова А. А., Иванова Н. И. Датчиковая аппаратура для
телеизмерений - М.: МОСССР, 1970-1971 гг.
3.	Борисов Ю. П., Пенин П. И., Основы многоканальной передачи информа-
ции. - М.: Связь, 1967 г.
4.	Гомон Ю. Б. Теоретические основы идентификации измерительных сис-
тем при неизвестных входных сигналах. - Л.; МОСССР, 1983 г.
5.	Кошевой Л. А. Телеметрические комплексы летательных аппаратов - М.:
Машиностроение, 1975 г.
6.	Николс М. X., Раух Л. Л. Радиотелеметрия - М.: ИИЛ, 1958 г.
7.	Сафаров Р. Т., Буга Н. Н., Зверев Р. И., Шитов И. В. Радиотелеметрия
части I и II, - Л.: МОСССР, 1973 г.
8.	Свириденко С. С. Основы синхронизации при приеме дискретных сигна-
лов. - М.: Связь, 1974 г.
9.	Белицкий В. И. и др. Телеметрия - Л.: МОСССР, 1984 г.
10.	Тепляков И. М. Радиотелеметрия - М.: Советское радио, 1966 г.
Глава 4.
Обработка и анализ
телеметрической информации
4.	ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ
ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
4.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
4.1.1.	Задачи и этапы обработки телеметрической информации
Определения
Извлечение информации из телеметрических данных, математическое
преобразование, анализ и представление результатов за минимальное
время, обеспечивающее своевременное использование их в процессе
управления телеметрируемым объектом, - цервая цель автоматизирован-
ной обработки телеметрической информации ТМИ [1]. Второй, не менее
важной, целью автоматизированной обработки является определение час-
тных и обобщенных характеристик систем телеметрируемого объекта, их
каталогизация, хранение и своевременная выдача потребителям.
Общая задача обработки ТМИ формулируется следующим образом: дана
совокупность измерений за некоторый период наблюдения, требуется опре-
делить вектор-функцию параметров состояния, вектор обобщенных харак-
теристик и оценить точность полученных результатов.
Основные задачи обработки телеметрической информации
Основными задачами обработки телеметрической информации являются:
1.	Выбор необходимых параметров, интервалов времени для об-
работки и оценка качества измерений, согласование потоков
270
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
данных и оценка параметров по косвенным измерениям. Дан-
ный этап осуществляется в соответствии с заданием на обработку,
учитывающим интересы потребителя результатов обработки и воз-
можность решения последующих задач [1].
2.	Повышение достоверности телеметрических данных. Задача ре-
шается путем отбраковки аномальных измерений, сильно искажен-
ных помехами, сглаживания, усреднения измеренных параметров,
и учета состояния каналов измерения, и передачи данных [1].
3.	Уменьшение избыточности телеметрических данных. Осущест-
вляется рациональным отбором параметров, необходимых для ре-
шения поставленной задачи, целесообразным уменьшением ко-
личества отсчетов выбранных параметров и представлением их
на нужном интервале времени минимальным количеством дан-
ных без существенного снижения информационного содержания.
Повышение достоверности и уменьшение избыточности решаются
в ряде случаев совместно. Так, рационально организованное сгла-
живание в известной степени решает обе эти задачи. Если первые
три задачи, рассмотренные выше, могут решаться в первичной
форме телеметрических данных, то в дальнейшем необходимо
иметь значения параметров в физических единицах, знать точно
моменты времени, в которые выполнены измерения.
4.	Дешифровка выбранных данных, определение оценок изме-
ряемых параметров в физических единицах и их представление.
Дешифровка выбранных данных предусматривает вычисление
оценок измеренных значений параметров, привязку их к заданному
времени и представление результатов в заданной форме. Резуль-
таты дешифровки могут быть напечатаны на бумаге, фотопленке,
или изображены на экранах мониторов в виде таблиц и графиков,
или записаны на магнитные носители в цифровых кодах в зависи-
мости от содержания и методов решения следующих задач.
5.	Определение параметров состояния и оценка работоспособности
систем. Заключается в определении вектора состояния телемет-
рируемого объекта по косвенным измерениям. Если измеряемые
параметры выбраны удачно и обеспечены соответствующими изме-
рительными преобразователями, то задача состоит в непосредс-
твенном измерении телеметрируемых параметров (ТМП) (прямые
измерения).
6.	Определение обобщенных характеристик систем и объекта в це-
лом. Найденные оценки обобщенных характеристик определяют
271
Современная телеметрия в теории и на практике
качество телеметрируемого объекта как технического устройства,
системы, и т. д. Их значения сравнивают с требуемыми (заданны-
ми) и вырабатывают меры по приближению первых ко вторым,
то есть меры по технической доработке объекта и его систем. Поэ-
тому представление результатов обработки и их анализ наряду с вы-
работкой элементов решения по управлению объектом или на тех-
ническую его доработку являются важными задачами обработки
информации.
7.	Представление и анализ результатов обработки.
8.	Выработка элементов решения.
Как следует из перечня задач, которые необходимо решать для перехода от
телеметрических данных к результатам обработки, в процессе этого перехо-
да четко различаются два этапа: начальный и последующий. Соответствен-
но, этим этапам можно сопоставить первичную и вторичную обработку те-
леметрических данных.
4.1.2.	Назначение и задачи первичной обработки
ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Для того, чтобы обеспечить анализ телеметрической информации, необхо-
димо подготовить соответствующим образом данные о телеметрируемом
объекте (собрать данные, передать в место анализа, преобразовать к нуж-
ному виду и т. д.). Очевидно, что содержание операций по подготовке дан-
ных определяется содержанием анализа и исходным видом анализируе-
мых данных.
Первичной обработкой ТМИ называется процесс уточнения оценок теле-
метрируемых параметров, масштабирования и приведения их к виду, удоб-
ному для дальнейшего использования.
Таким образом, первичная обработка выступает в качестве промежуточно-
го (согласующего) звена между источниками информации и системой ана-
лиза (человеком или компьютером). Поэтому цель обработки, состав задач
и способы их решения определяются видом анализа и структурой исход-
ных данных ТМИ.
Поскольку количество информации, необходимой для анализа ТМИ,
достигает десятков и сотен мегабайт, объем вычислений при обработке
оказывается очень большим. Поэтому в обработке ТМИ широко исполь-
зуются вычислительные машины самого различного вида (начиная со спе-
циализированных микропроцессоров и заканчивая большими универ-
сальными рабочими станциями и вычислительными кластерами).
272
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Этапы обработки ТМИ
Несмотря на многообразие задач анализа, при обработке ТМИ всегда при-
сутствуют следующие этапы [2].
1.	Оценка параметров по косвенным измерениям. В ряде случаев
по технологическим соображениям измеряются не те параметры,
которые нужны для анализа. При этом, однако, измеряемые вели-
чины несут необходимую информацию (случай так называемых
косвенных измерений). Например, в процессе анализа важно опре-
делить число срабатываний некоторого сигнального датчика, в то
время как контролируются сами срабатывания. Другим приме-
ром косвенных измерений является контроль значений параметра
во времени, на основе которого рассчитываются спектральные ха-
рактеристики процесса вибраций. При этом возникает потребность
по измеряемым величинам восстановить недостающие параметры,
необходимые для анализа.
2.	Согласование потоков данных. Чтобы проанализировать данные,
их необходимо представить в виде, удобном для получателя (че-
ловека или ЭВМ). Для этого необходимо согласовать поток дан-
ных с пропускной способностью анализирующей системы. Кроме
того, необходимо, чтобы форматы данных ТМИ были наиболее
удобны для анализа, с тем чтобы обеспечить его максимальную
оперативность. Задача согласования существенно зависит от рас-
положения анализирующей системы относительно места измере-
ний и используемых структур данных. Так, например, если задача
оперативного анализа решается на борту телеметрируемого объ-
екта, а задача исследований - в наземном центре управления, то
для решения задачи исследований дополнительно к согласованию
потока измерений с бортовыми информационными магистралями
необходимо обеспечить согласование с радиоканалом, наземной
вычислительной машиной в месте приема, сетью передачи данных
и вычислительной машиной наземного центра управления.
3.	Повышение достоверности данных ТМИ. На правильность ре-
зультатов любого вида анализа оказывает существенное влияние
достоверность анализируемых данных. Так, для рассмотренного
в предыдущей главе метода последовательного анализа недос-
товерное значение измерения может привести к тому, что анализ
пойдет по ветви, которая приведет к неправильному результату.
Уровень требований к достоверности исходной информации воз-
растает при переходе от задачи оперативного анализа ТМИ к диаг-
ностической задаче, а от последней - к задаче исследования.
273
Современная телеметрия в теории и на практике
Причинами появления недостоверных данных является неточное
преобразование физических процессов в электрические сигналы,
воздействие помех при передаче информации и методические пог-
решности самой телеметрической системы.
Последовательность операторов первичной обработки ТМИ
Схема обобщенного алгоритма системы первичной обработки, поясняющая
ее место и взаимосвязь различных операторов обработки ТМИ, изображена
на рис. 4.1.
Оператор повышения точности датчиков обеспечивает учет «вредных вли-
яний» и уменьшение динамической погрешности датчика. Кодирующий
оператор перекодирует данные ТМИ помехоустойчивым кодом, после чего
они перерабатываются оператором согласования с каналом связи, который
согласует данные по структуре и скорости поступления.
На выходе канала связи осуществляется декодирование данных и повыше-
ние их достоверности с помощью рассмотренных методов, после чего осу-
ществляется пересчет параметров с учетом колебаний шкалы. Затем данные
согласуются с системой анализа, причем если в качестве анализатора вы-
ступает человек, то производится масштабирование значений параметров
с помощью тарировочных таблиц.
Показанное на рисунке последовательное взаимодействие операторов об-
работки не является единственно возможным [2]. В зависимости от решае-
мых задач и имеющихся в распоряжении ресурсов некоторые задачи могут
Рис. 4.1. Схема первичной обработки ТМИ
274
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
решаться раньше или позже (например, повышение точности датчиков мо-
жет происходить одновременно с получением вторичных параметров). Кро-
ме того, может появиться необходимость в решении новых задач, а некото-
рые из рассмотренных могут быть опущены.
Часто встречающимся вариантом обработки является ручная дешифровка
результатов телеизмерений. Исходными данными для дешифровки явля-
ются: программа телеизмерений, тарировочные характеристики датчиков
(иногда калибровочная характеристика системы сбора и передачи инфор-
мации) и материалы регистрации результатов телеконтроля на различных
носителях.
В процессе дешифровки определяют качество регистрации информации
(при наличии нескольких экземпляров регистрации выбирают наилучший)
и выделяют существенные для потребителя участки изменения параметров.
После этого выделяют сигналы калибровки и отмечают уровни 0 и 100%
(иногда и 50%).
Первичная обработка проводится в объеме перечисленных задач как при
обработке оперативной информации, так и при полной обработке. Раз-
ница заключается в целях, качестве и методах проведения обработки.
При проведении первичной обработки в рамках полной обработки необ-
ходимо добиваться более полного и компактного представления телемет-
рируемых процессов для последующего вычисления по ним обобщенных
характеристик систем. Менее жесткие требования к минимизации време-
ни полной обработки (по сравнению с оперативной) позволяют проводить
первичную обработку в этом случае по более оптимальным и в смысле точ-
ности и надежности алгоритмам.
Точность обработки здесь играет первостепенную роль, так как получен-
ные временные функции измеряемых параметров и параметров состояния
могут в дальнейшем подвергаться, например, операциям дифференцирова-
ния, что может вызвать ухудшение результатов при недостаточном качестве
указанных зависимостей.
4.1.3.	Назначение и задачи вторичной обработки
ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Место вторичной обработки в системе управления объектом
Вторичной обработкой или анализом телеметрической информации называ-
ется часть обработки ТМИ, связанная с формированием данных, необходимых
275
Современная телеметрия в теории и на практике
оператору или системе для принятия решения. Принятие решения осущест-
вляется при управлении объектами, поиске неисправностей и при исследова-
ниях систем (рис. 4.2).
Назначение анализа определяет его виды, задачи, принципы построения
систем и необходимые объемы ТМИ.
системы
Рис. 4.2. Схема принятия решений по управлению объектом
В соответствии с назначением различают три вида анализа ТМИ: анализ
состояния объекта, локализация неисправностей и исследование поведения
телеметрируемого объекта.
Анализ состояния объекта как решение задач технического
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Обнаружить изменения технического состояния объекта можно только с по-
мощью контроля. Так как все сведения о техническом состоянии объекта
необходимо получить в реальном масштабе времени, то речь идет об опера-
тивном контроле.
Операции контроля производятся радиотелеметрическими системами
(РТС) и комплексами обработки поступающей с них информации. Со-
вокупность РТС и комплекса обработки, взаимодействующих с объектом
контроля по определенным алгоритмам с частичным непосредственным учас-
тием человека, представляет собой автоматизированную систему контроля.
Под автоматизированным контролем понимается оценка технического со-
стояния объекта (системы) с целью определения правильности отработки
276
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
временных программ работы систем и выполнения передаваемых команд
управления. Автоматизированный контроль включает операции приема
и обработки телеизмерений, получение информации о состоянии парамет-
ров, по результатам которых принимается решение о состоянии системы
или выдается управляющее воздействие.
В процессе эксплуатации объект должен выполнять свои функции в соот-
ветствии с целевым назначением. Для этого необходимо последовательно
управлять аппаратурой объекта для перевода его в заданные состояния.
Для управления исправным объектом необходимо с помощью средств и ме-
тодов идентификации получить модель его поведения. По этой модели,
зная состояние на данный момент времени и целевое состояние, можно
определять последовательность управляющих воздействий, реализация ко-
торой обеспечивает достижение целевого состояния. Такую модель управ-
ления объектом называют моделью управления, а задачу определения по-
следовательности управляющих воздействий - задачей управления.
Чтобы правильно осуществлять оперативное управление объектом, необ-
ходимо на каждом шаге управления проверять правильность изменения
состояния. Для этого надо определять текущее состояние и сравнивать его
с предсказанным по модели управления состоянием. В результате такого
сравнения решается (положительно или отрицательно) задача оценки пра-
вильности функционирования объекта в текущий момент времени. Таким
образом, анализ текущего состояния объекта позволяет производить оценку
правильности его функционирования (при наличии модели управления).
Если текущее состояние не совпадает с ожидаемым (объект функционирует
неправильно), то это свидетельствует о возникновении неисправности.
Контроль функционирования характеризует поведение объекта в данном
состоянии в текущий момент времени и заключается в проверке выполне-
ния объектом своих функций без их количественной оценки. Он является
простейшей формой контроля.
Оценка функционирования производится по принципу «да - нет». Как пра-
вило, для проведения такого контроля используются показания сигнальных
и диапазонных преобразователей. Используя проверку функционирования,
можно получать более общие заключения о поведении объекта. По степени
общности различают контроль работоспособности объекта и контроль ис-
правности объекта.
Контроль работоспособности - это допусковый или количественный конт-
роль параметров с целью определения работоспособности системы: пригод-
на ли она для выполнения своих функций. В данном виде контроля исполь-
зуются результаты измерений параметров, характеризующих работу
277
Современная телеметрия в теории и на практике
системы. Оценка работоспособности производится по принципу «годен-
не годен», «меныпе-норма-больше» с регистрацией абсолютных (относи-
тельных) величин параметров или их отклонения от номинальных значений.
Принцип «годен-не годен» означает работоспособность и неработоспособ-
ность системы, а принцип «меньше-норма-больше» указывает на состоя-
ние параметров: находятся ли они в пределах номинальных значений, или
меньше их, или больше их.
Результат проверки на работоспособность зависит от тех целей, которые
ставятся при управлении аппаратурой объекта. Для того, чтобы проверить
работоспособность системы, необходимо проверить правильность ее фун-
кционирования во всех состояниях, которые проходит система при дости-
жении целевых состояний, а также во всех целевых состояниях. Таким об-
разом, многократное решение задачи оценки состояния объекта совместно
с моделью управления (проверка функционирования) позволяет оценить
работоспособность объекта.
Контроль исправности объекта заключается в проверке нормального фун-
кционирования объекта во всех возможных состояниях. Таким образом,
проверка правильности функционирования в каждом состоянии позволяет
оценить исправность объекта. Рассмотрим бортовую информационно-те-
леметрическую систему (БИТС), которая состоит из нерезервированной
системы сбора, двух комплектов регистраторов и двух передающих уст-
ройств.
Пусть БИТС находится в выключенном состоянии. Если это состояние
должно быть по плану работ, то БИТС функционирует правильно (при этом
все устройства БИТС могут быть неисправны). Если под целевыми состоя-
ниями понимаются режим записи на регистратор и передача ТМИ, то БИТС
будет работоспособна, если даже один комплект регистратора и один комп-
лект передатчика будут неисправны. Для исправности БИТС необходимо,
чтобы все комплекты и устройства были исправны. Таким образом, решение
задачи оценки состояния совместно с моделью управления позволяет конт-
ролировать правильность функционирования, работоспособность и исправ-
ность систем объекта.
Определение технического состояния, в котором находился объект в неко-
торый момент времени в прошлом, называется задачей генеза, а соответс-
твующая отрасль знаний - технической генетикой.
Задачи технической генетики возникают, например, в связи с расследованием
аварий и их причин, когда техническое состояние объекта в рассматривае-
мое время отличается от состояния, в котором он был в прошлом - в резуль-
тате появления первопричины, вызвавшей аварию. Эти задачи решаются
278
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
путем определения возможных или вероятных предысторий, ведущих в на-
стоящее состояние объекта. Типичное средство реализации задач данного
типа - автономные регистраторы, осуществляющие запись ТМИ за некото-
рый предшествующий период времени.
При работоспособной системе необходимо знать ее поведение в будущем.
Ответ на этот вопрос дает прогнозирующий контроль. Он проводится по
результатам измерений параметров. Полученные данные контроля исполь-
зуются для планирования дальнейшей работы системы.
Локализация неисправностей методами технической диагностики
Если в процессе контроля правильности функционирования объекта про-
изошло расхождение между ожидаемым и действительным состоянием,
то это свидетельствует о возникновении неисправности и необходимости
ее локализации. Локализация неисправности может преследовать различ-
ные цели. Например, в тех случаях, когда ремонт возможен, целью лока-
лизации является указание отказавшего устройства для его замены или
восстановления.
При невозможности устранения неисправности (перемонтируемые объек-
ты) целью локализации является коррекция модели управления. Напри-
мер, обнаружение неисправного устройства и переход на исправный ком-
плект связан с коррекцией модели в том смысле, что после локализации
неисправности запрещаются состояния объекта, в которых работает неис-
правный комплект, а также управляющие воздействия, которые переводят
объект в эти состояния. В некоторых случаях результатом локализации
отказа считают имя физического процесса, приведшего к возникновению
неисправности, и наименования параметров с аномальным поведением.
Локализация неисправности может иметь различную глубину. В частности,
уровень детализации отказа при управлении объектом часто определяется
интересами самого управления. Это, например, уровень резервируемых уст-
ройств, которые можно подключить с помощью управляющих воздействий
вместо неисправных. При этом нет необходимости проводить более глубо-
кую детализацию, поскольку она не дает дополнительной информации для
коррекции модели управления.
В противоположность вышесказанному при испытаниях объекта старают-
ся произвести более глубокую локализацию, поскольку это необходимо
для качественной доработки технических устройств объекта и восстанов-
ления его работоспособности. По составу локализуемых отказов различа-
ют системы упрощенного и полного диагностирования. Смысл такого раз-
деления заключается в следующем.
279
Современная телеметрия в теории и на практике
Локализация отказов осуществляется по данным телсконтроля. Поскольку
различным отказам объекта соответствуют различные последовательности
значений параметров (в противном случае отказы были бы неразличимы),
система локализации отказов представляет собой систему классификации,
которая сопоставляет последовательностям значений телеметрических па-
раметров имена классов (имена отказавших элементов), соответствующих
этим значениям.
Система классификации, которая решает эту задачу, реализует полную систе-
му диагностирования. Сложность построения системы полного диагностиро-
вания заключается в том, что число возможных отказов очень велико и зара-
нее не фиксировано. Другими словами, обычно трудно предположить
возможность тех или иных отказов (тем более их перечислить). Выходом из
этой ситуации является использование дополнительных априорных данных
о структуре диагностируемых устройств и принципах их функционирования.
Применение информации о структуре позволяет создавать так называемые
неявные модели диагностирования, которые по мере надобности способны
самостоятельно формировать классы телеметрических образов и присваивать
им имена отказавших устройств. Однако формирование структурных данных
об объекте — задача чрезвычайно сложная. Достаточно сказать, что формиро-
вание этих данных даже для такой сверхуниверсальной системы, как человек,
занимает годы обучения (фактически обучение в вузе сводится к формирова-
нию структурных данных для конкретной предметной области).
В настоящее время существует ряд подходов к решению этой проблемы,
однако все они являются слишком громоздкими, и их область применения
ограничивается довольноузкимиклассамиотказов. Поэтому в автоматизиро-
ванных системах, как правило, реализуется упрощенное диагностирование.
Принцип упрощенного диагностирования заключается в классификации
отказов для чаще всего встречающихся типовых неисправностей объ-
екта. При таком подходе фиксируется небольшое число классов отказов,
в силу чего оказывается возможным синтез автоматизированной системы
диагностирования в режиме обучения. Для реализации такого режима фор-
мируется обучающая выборка неисправностей.
При возникновении нетиповой неисправности (которую обнаруживает систе-
ма оценки состояния) локализация отказа выполняется оператором. В насто-
ящее время практически для всех технических систем в перечень технической
документации входит список типовых неисправностей, который и является
обучающей выборкой для синтеза упрощенной системы диагностирования.
Синтез упрощенной системы диагностирования может производиться,
в частности, методом, применяемым для синтеза системы оценки состоя-
ния. В этом случае система упрощенного диагностирования представляет
собой иерархическую систему последовательного анализа.
280
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Исследование поведения объекта как решение задач идентификации
систем
При создании объекта производятся его испытания (стендовые, опытно-
конструкторские и др.), а при штатной эксплуатации объекта - доработка
и совершенствование его систем. В этих случаях задачей анализа ТМИ яв-
ляется определение тех характеристик объекта, на улучшение которых на-
правлены испытания и доработка. Как правило, этот вид анализа связан
с расчетом обобщенных характеристик систем объекта по заданной методи-
ке. Часто такими характеристиками являются различные статистические
характеристики, и их оценка производится по формулам, известным из
математической статистики [2].
Различные виды анализа связаны друг с другом (рис. 4.2). При штатном
управлении проводится оценка исходного режима (состояния) объекта и,
в соответствии с указанием о цели управления, с помощью модели осу-
ществляется формирование последовательности управляющих воздейс-
твий, переводящих объект в заданный режим (состояние).
В процессе управления текущее состояние объекта, определяемое системой
оценки состояния, периодически сравнивается с прогнозируемым состоя-
нием по модели. Несовпадение этих состояний означает переход к нештат-
ному управлению объекта и локализации отказа. После коррекции модели
управления или восстановления объекта вновь осуществляется штатное
управление объектом. При подготовке объекта к эксплуатации, когда воз-
можен ремонт его подсистем, коррекция модели управления объектом не-
целесообразна. ,В результате анализа ТМИ устанавливается готовность
объекта к применению. В остальном задачи анализа ТМИ на этом этапе
совпадают с задачами на этапе эксплуатации.
Вторичная обработка ТМИ в оперативном и полном вариантах различается
существенно. Так, при оперативной обработке анализ включает [1] опреде-
ление параметров состояния и оценку работоспособности объекта, выяв-
ление и локализацию неисправностей в системах, краткосрочный прогноз
состояния систем на заданный срок, решение задачи генеза технического
состояния (в силу специфики эксплуатации объекта). Решение этих задач
технической диагностики позволяет принять обоснованное решение по уп-
равлению объектом.
В процессе полной обработки телеметрических данных всесторонне анали-
зируется качество функционирования систем, оценивается их надежность,
определяются обобщенные характеристики, вычисляются статистические
характеристики процессов, протекающих на объекте, и сравниваются с тре-
буемыми методами искусственного интеллекта; выявляются скрытые зако-
номерности, делается вывод о совершенствовании методов применения
объекта или о его технической доработке.
281
Современная телеметрия в теории и на практике
Решение перечисленных задач основано на использовании сложных ста-
тистических методов обработки информации. Реализация этих методов
требует больших мощностей ЭВМ, и высокой степени автоматизации про-
граммирования, и решения задач автоматизированной обработки.
4.2.	ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
4.2.1.	Методы обработки при согласовании потоков данных
С КАНАЛАМИ СВЯЗИ И СИСТЕМОЙ АНАЛИЗА
Согласование потока данных с каналами передачи данных и системой ана-
лиза ТМИ предполагает решение двух основных задач [2]:
•	согласование потока данных с каналом (системой анализа) по скоро-
сти передачи (скорости поступления на анализ);
•	согласование потока данных с каналом (системой анализа) по струк-(
туре данных.
Согласование потока данных по скорости передачи
Согласование потока данных с каналом (системой анализа) по скорости
передачи производится в тех случаях, когда данные для передачи поступа-
ют неравномерно во времени либо средняя скорость поступления данных
превышает пропускную способность канала (системы анализа). Когда дан-
ные поступают неравномерно, применяются буферные запоминающие уст-
ройства, которые осуществляют временное хранение передаваемых данных
(данных для анализа) на период перегрузки канала.
Предельным случаем неравномерного поступления данных является по-
ступление данных блоками. Такой способ выдачи данных используется до-
вольно часто, поскольку это позволяет разгрузить устройство, формирую-
щее данные, от взаимодействия с каналом (с системой анализа).
Если входной поток данных превышает пропускную способность канала
(системы анализа), то производят сжатие данных.
Простейшим и наиболее распространенным методом сжатия данных явля-
ется прореживание отсчетов, при котором для каждого телеметрируемого
параметра производится выборка для передачи (анализа) одного отсчета из
п произведенных. Применение такого метода сокращения объема данных
может привести к потере важной информации (особенно при возникнове-
282
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
нии неисправностей на телеметрируемом объекте), если она содержится в
исключенных п-1 отсчетах. Для частичного устранения указанного недостат-
ка можно применять осреднение по отсчетам и передавать (анализировать)
среднее значение [2].
Согласование по структуре данных
Согласование по структуре данных необходимо для приведения данных
к виду, удобному для передачи по каналу связи (анализа). Если система
анализа реализована на ЭВМ, то необходимо привести данные к виду, ис-
пользуемому в ЭВМ. Аналогичные преобразования производятся при сты-
ковке с каналами передачи данных. Например, для реализации дисциплины
обслуживания в БИТС необходимо использовать специальные устройства
согласования с информационной магистралью - модули обмена информа-
цией. В данном случае эти модули решают задачу обработки по согласова-
нию структуры и скорости поступления данных.
Согласование структуры данных с системой анализа также предполага-
ет приведение данных к виду, удобному для анализа. Здесь, как правило,
необходимо провести декоммутацию телеметрируемых параметров и осу-
ществить привязку данных ко времени. Если анализ производится на ЭВМ,
то необходимо реализовать правила обмена, принятые для данной ЭВМ.
Если же анализ производится человеком, то необходимо привести данные
к виду, привычному для него (выразить значение параметров в истинных
физических величинах или в процентах). Поскольку современные автома-
тизированные системы анализа не исключают участие человека в анализе
информации, то в состав системы обработки практически всегда включают
решение указанной задачи. Рассмотрим подробнее методы ее решения.
Для преобразования данных в процентные значения физического процес-
са используется калибровочная характеристика системы сбора и передачи
информации. Калибровочная характеристика представляет собой зависи-
мость величины выходного сигнала измерения S'n(t) некоторого источника
информации на выходе системы сбора и передачи от величины сигнала
на выходе этого источника, выраженной в процентах (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Калибровочная характеристика
283
Современная телеметрия в теории и на практике
Калибровочная характеристика системы сбора и передачи данных служит
для оценки нелинейности тракта передачи информации. Основой для рас-
чета калибровочной характеристики служат сигналы калибровки, которые
соответствуют некоторым стандартным значениям сигнала Sn ( St,..., Sп).
Измеряя значения сигналов калибровки на выходе системы (S’r..., S J и осу-
ществляя аппроксимацию полученных точек графика, определяют калиб-
ровочную характеристику системы Sn(t)=f(S^. Если система имеет доста-
точно линейную калибровочную характеристику, то нет необходимости
передавать все сигналы калибровки. Их число можно сократить, если пере-
давать, например, только два или три: 5,= 0%, S2= 50%, S3= 100%.
Получив на выходе системы значения S'n(t)=f(S(), Sn(t)=f(S2), S'n(t)=f(S^,
можно определить значения сигнала на выходе источника информации
(или на входе системы сбора и передачи) по формуле:
с' - •?'
S= п '-100%.
5;-5,'
Таким образом, сигналы калибровки S1 и S3 служат для определения преде-
лов динамического диапазона тракта передачи (шкалы параметра) [2].
Из формулы (4.1) следует, что:
5' = А_(5'_с') + 5'
” 100 3	1	1
Поэтому точность определения величины S’n существенно зависит от точ-
ности определения значений сигналов калибровки на выходе системы.
Для преобразования данных в истинные значения контролируемого физи-
ческого процесса используются тарировочные характеристики датчиков.
Эти характеристики представляют собой зависимость истинных значений
физического процесса X от уровня сигнала Sn (в процентах) на выходе дат-
чика (рис. 4.4).
(4.1)
(4.2)
Рис. 4.4. Тарировочная характеристика
284
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
В общем случае тарировочная характеристика имеет нелинейный характер,
поэтому при переводе в истинные значения необходимо учесть эту нелиней-
ность. С этой целью при автоматизированной обработке тарировочная ха-
рактеристика аппроксимируется степенными полиномами. Как правило,
для аппроксимации выбираются полиномы первой степени, поскольку при-
менение полиномов более высоких степеней усложняет вычислительный
процесс, а применение полиномов нулевой степени (ступенчатая аппрокси-
мация) требует большой памяти для хранения аппроксимирующей кривой.
При кусочно-линейной аппроксимации тарировочная характеристика за-
меняется отрезками прямых (рис. 4.4) так, чтобы погрешность аппроксима-
ции о не превышала допустимую. При этом в память ЭВМ вводятся значе-
ния X, = z = 0, п -1, и коэффициенты наклона аппроксимирующих прямых
находятся следующим образом:
После получения значения Sn определяется, какому отрезку [5'+1,S'] это
значение принадлежит. Тогда на отрезке [ 1$'+|, S'n ] значение физического
процесса, соответствующее значению Sn, вычисляется по формуле:
Х=\+К,-(5п-5‘).	(4.4)
4.2.2.	Методы обработки при оценке значений параметров
ПО КОСВЕННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ
Получение косвенного параметра связано с вычислением некоторого опе-
ратора f, определенного на множестве значений прямых измерений. Конк-
ретный вид оператора f зависит от состава и физического смысла парамет-
ров прямого измерения.
Пусть, например, на телеметрируемом объекте измеряется параметр X. -
расход топлива в секунду, а для анализа необходимо знать количество из-
расходованного топлива X.’. Тогда оператор/представляет собой определен-
ный интеграл по времени [2]:
/
х;(/)= |\.(т)<л.	(4.5)
о
Оценка спектральной плотности программными средствами
В информационно-телеметрических комплексах (ИТК) чрезвычайно рас-
пространенным косвенным параметром ^ является спектральная плотность
процесса X (а также ее специальные характеристики).
285
Современная телеметрия в теории и на практике
Так, часто необходимо знать частоту и амплитуду вибрации некоторого
узла в системе, резонансные характеристики механических устройств и т.п.
Однако непосредственное измерение спектральной плотности и ее харак-
теристик связано с необходимостью создания громоздкой преобразующей
аппаратуры. Поэтому вместо измерения спектральных характеристик конт-
ролируют временные изменения соответствующих параметров, по которым
система обработки получает оценку спектральных характеристик [2].
Для этого случая вид оператора f совпадает с оператором разложения па-
раметра прямого измерения X в ряд Фурье. Для конечного интервала на-
блюдения Ти частоты спектра сок величина спектральной плотности X’f со^
определяется по формуле:
(4.6)
где:
т	т
= 2 |X(/)cos —dt\ =2	(4.7)
о	о
Конечность интервала Т приводит к тому, что величину Vf (0 можно вы-
2л£
числить только в дискретных точках С0л —	. Для ее определения в про-
межуточных точках можно использовать любой приемлемый по точности
метод интерполяции, например ряд Котельникова, для чего значения Vf со^
последовательно пропускают через фильтр нижних частот.
При Т —>оо можно показать, что моменты спектральной плотности *к’( <як):
М[Г(сок)] = Г(сок),
Поэтому оценка косвенного параметра Х’(ак) является несмещенной, но не-
состоятельной, так как при Т	о 2[А.'(со^)] —> const Ф 0.
Оценка спектральной плотности в специализированных аналоговых
УСТРОЙСТВАХ
Оценку спектральной плотности можно производить с помощью простых
аналоговых устройств, используя формулу [2]:
Х'(со ) = —[a2(w) +р2(Сй)]	(4.8)
286
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
где:
т	т
a (co) = 2|A.(/)cos(0/dZ, 0 (со) = 2 |Х(/) sin Gitdt.	(4.9)
о	о
В соответствии с этой формулой в спектроанализаторе должны быть гене-
ратор гармонических составляющих, перемножители, интегратор, квадра-
тор и сумматор. Более простым устройством, производящим оценку спект-
ральной плотности, является устройство (рис. 4.5), состоящее из генератора
гармонических колебаний (~), фазовращателя (ф), перемножителя (х), ин-
тегратора ( |) и индикатора наибольшего сигнала.
Рис. 4.5. Структурная схема спектроанализатора
На выходе интегратора:
t
z(c,co,(p) = 2 jX(t)sin(coT +ф)<Л
О
или, с учетом sin(C0T + ф) = sin сот coscp + coscot sin ср и выражений для а
и р, получим:
/	‘. а р
г(/,СО,ф) - 81Пф — + СО5ф — .
Наибольшее значение z можно найти, приравняв к нулю производную:
Отсюда, заменяя 8Шф на -У1~С082ф и разрешая уравнение, получаем:
р	а
СО8ф = “-7====== ; smф = —7==.
Va2 + ₽!	7а2+ р2
После подстановки полученных значений в формулу для z(t, со, получим:
_ 7a2+ 0
^max —	2
Индикатор наибольшего сигнала выдает таким образом оценку спектраль-
ной плотности сигнала.
287
Современная телеметрия в теории и на практике
Методы узкополосной фильтрации
Рассмотренные выше способы оценки спектральной плотности пригодны
для реализации на цифровых и аналоговых ЭВМ. В случаях большого чис-
ла параметров, требующих оценки спектральных характеристик и высокой
динамичности изменений параметров, возникает необходимость создания
специальной аппаратуры для их обработки. Принцип действия такой аппа-
ратуры основан на методах узкополосной фильтрации [2].
ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ УЗКОПОЛОСНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ. Такая фильтрация
основана на использовании набора узкополосных фильтров, перекрываю-
щих заданный диапазон спектра Д/ параметра k(t) (рис. 4.6а). При подаче
сигнала X(t) на вход устройства на выходе некоторых фильтров появляется
отклик.
Номера фильтров и величина отклика на их выходе позволяют судить о спек-
тральной плотности параметра "k(t) на дискретных частотах frf2,. Если
полосы пропускания фильтров ДЕ/( не перекрываются, то необходимое число
фильтров для перекрытия диапазона ДЕ составляет:
С помощью метода узкополосной фильтрации удобно определять спект-
ральные характеристики параметра X(t). Например, резонансная частота
определяется номером фильтра с наибольшим откликом. При этом макси-
мальная погрешность определения резонансной частоты не превосходит
AF/2-
в)
Рис. 4.6. Схема узкополосной фильтрации
Параллельный анализ резонансной частоты монохроматического сигнала 'k(t)
можно производить с помощью фильтров с перекрывающимися частотными
характеристиками (рис. 4.66). При этом в процессе анализа определяется
288
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
отклик на выходе каждого фильтра (рис. 4.66, точки а, б, в). На оси частот
в точках, соответствующих резонансным частотам фильтров, строятся орди-
наты, равные по величине полученным откликам. По этим ординатам при-
ближенно строится резонансная характеристика, максимум которой соответс-
твует резонансной частоте сигнала \(t).
Достоинством параллельной фильтрации является высокая скорость, недо-
статком - сложность устройства, так как для обеспечения высокой точнос-
ти необходимо иметь большое число высокодобротных фильтров [2].
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ УЗКОПОЛОСНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ При по-
следовательной узкополосной фильтрации используется только один
фильтр, перестраиваемый в диапазоне ДЕ Если фильтр перестраивать до-
статочно медленно, то величина его отклика при различной настройке будет
соответствовать спектральной плотности параметра \(t) .
Увеличение точности преобразования параметра X(t) в )C(t), так же как
и при параллельной фильтрации, связано с уменьшением полосы пропуска-
ния фильтра, однако это ведет к увеличению времени преобразования, так
как увеличивается время установления колебаний и приходится снижать
скорость перестройки.
На практике обычно фильтр не перестраивают, а смещают спектр исследуе-
мого сигнала путем его перемножения с гармоническим сигналом линейно
изменяющейся частоты.
Пусть одна из гармоник спектра сигнала X(t) имеет вид wcosco0Z. Тогда ее
умножение на гармонический сигнал частоты со приведет к результату:
wcoscozcosco0z = ± w[cos(co - со0)/ 4- cos(co 4- со0)/] .
Полученный спектр сигнала имеет две полосы, расположенные симметрич-
но относительно частоты со. Изменяя частоту и выделяя фильтром одну
из боковых полос, можно по отклику фильтра оценивать спектральную
плотность параметра X(t).
КОМБИНИРОВАННАЯ УЗКОПОЛОСНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ. Эта филь-
трация реализуется несколькими фильтрами, которые перестраиваются в сво-
их поддиапазонах (рис. 4.6в). Использование комбинированной фильтрации
позволяет ускорить время получения спектральной плотности (по сравнению
с последовательной фильтрацией) и одновременно уменьшить число филь-
тров (по сравнению с параллельной фильтрацией).
По найденной спектральной плотности можно определить другие спектраль-
ные характеристики процесса (ширину спектра, его граничную частоту и т. п.).
10 Зак. 861
289
Современная телеметрия в теории и на практике
4.2.3.	Оперативная обработка быстро меняющихся параметров
Особенности быстро меняющихся параметров и их обработки
В процессе испытания телеметрируемых объектов производятся измерения
большого числа быстро меняющихся параметров (БМП). К таким парамет-
рам относятся вибрации конструкций корпуса, пульсации давления в каме-
ре сгорания двигателя, акустические и аэродинамические шумы, деформа-
ции корпуса и др. [ 1 ].
Различия между быстро- и медленно меняющимися параметрами не носят
качественного характера, так как те и другие являются непрерывными функ-
циями времени. Количественное отличие заключается в различных скоро-
стях изменения и ширине спектра. Это отличие вытекает из характерных
особенностей быстро меняющихся параметров.
Быстро меняющиеся параметры прямо или косвенно отражают сложные коле-
бательные процессы, протекающие в механических, электрических и других сис-
темах. По своей физической сущности колебательные процессы есть результат
наложения гармонических колебаний, вызванных независимыми источниками.
Ввиду сложности структуры и высокой динамичности процессов, наложе-
ния случайных помех в процессе измерений, периодические компоненты
замаскированы и практически неразличимы при визуальном просмотре
записей БМП [1].
Быстро меняющиеся параметры характеризуют случайно возникающие
процессы и поэтому в общем случае являются случайными и нестационар-
ными. Они имеют, как правило, сравнительно широкий спектр, верхняя
граница которого простирается до нескольких десятков килогерц.
Наибольший практический интерес для потребителя представляют такие
характеристики БМП, как время возникновения колебаний, их частота и
интенсивность. Именно эти характеристики являются исходными для
возможных доработок конструкции объекта. Таким образом, не всегда тре-
буется знать параметры как функции времени, достаточно|3нать их спект-
ральные характеристики. Это определяет специфику обработки БМП, в
которой значительное место занимает спектральный анализ исследуемых
процессов. К числу спектральных характеристик БМП относятся:
•	амплитудно-частотная характеристика;
•	спектральная плотность мощности;
•	ширина спектра или его граничная частота;
•	граничные частоты при заданном уровне спектральной плотности
мощности.
290
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Здесь уместно заметить, что результаты спектрального анализа содержат
меньший объем данных, чем функция поведения параметра. По результа-
там спектрального анализа невозможно сколь угодно точно восстановить
исходную функцию.
Большое место в обработке БМП занимают методы выявления скрытых пе-
риодичностей. Эти методы позволяют определить такие возможные харак-
теристики, как периоды гармонических составляющих, их амплитуды и де-
кремент затухания.
При обработке БМП ставятся различные задачи, решение которых выпол-
няется с различными целями. По целям использования результатов обра-
ботки основные задачи обработки БМП можно разделить на несколько
групп [1].
1.	Обработка БМП с целью получения обобщенных характеристик
процесса. Эта группа задач позволяет произвести оперативную
оценку БМП для планирования последующих этапов обработки
и, в частности, предварительного выбора метода обработки, гру-
бой оценки стационарности процесса и др. В результате обработ-
ки определятся максимальные значения параметров на некотором
интервале времени, среднее и средневыпрямленное их значение,
дисперсия, кажущаяся частота и др.
2.	Обработка БМП с целью получения данных о прочности кон-
струкций отдельных узлов и исследования их устойчивости и
надежности. К этой группе задач можно отнести анализ вибраций
в различных точках и узлах объекта и их источников, таких как
пульсации в камере сгорания двигателя, акустические шумы и др.
Здесь оцениваются наиболее важные и опасные с точки зрения це-
лостности конструкции спектральныесоставляющие, присутствую-
щие в вибропроцессах, и различные характеристики источников
вибраций.
Основными характеристиками, которые требуется получить в резуль-
тате обработки, являются амплитудно-частотный спектр, спектраль-
ные плотности мощности, пиковые значения отдельных спектральных
составляющих, взаимокорреляционные функции, взаимоспектраль-
пые плотности и функции плотности вероятности.
3.	Обработка БМП с целью получения обобщенных данных по
определенному типу изделий. В этой группе задач решаются мно-
гочисленные вопросы, связанные с обобщением различных харак-
теристик БМП по определенному типу объектов. При этом - такие
важные вопросы, как прогнозирование отдельных БМП и выдача
рекомендаций на испытания.
291
Современная телеметрия в теории и на практике
Основными характеристиками, получаемыми при решении этих задач, яв-
ляются характеристики, перечисленные в предыдущих группах, но полу-
ченные в результате обработки по нескольким объектам одного типа.
Последовательное решение всех групп задач обработки позволяет получить4
наиболее важные данные о быстро меняющихся параметрах. Выбор конк-
ретного метода обработки зависит от множества причин и в первую очередь
от способа представления БМП.
Существуют два принципиально разных подхода к способу представления
БМП. В первом случае поведение БМП представляется как детерминиро-
ванный процесс, во втором случае - как случайный процесс. Эти два пред-
ставления определяют выходные результаты обработки. Так, обработка
БМП, представленных как детерминированный процесс, требует, по сущес-
тву, исследования амплитудно-частотных характеристик.
В то же время обработка их при представлении случайным процессом тре-
бует обязательного изучения усредненных характеристик, причем чаще
всего исследуются мощностные характеристики. Если в первом случае
для обработки достаточно применения амплитудных анализаторов спектра
частот, то во втором случае необходимо иметь в наличии различные устрой-
ства для квадратирования, суммирования, умножения, усреднения и т. д.
Достоинством представления БМП как детерминированного процесса явля-
ется то, что они понятны и хорошо интерпретируются простыми характерис-
тиками. Недостатком является то, что чаще всего это представление - толь-
ко приближение, и очень грубое.
Анализ БМП, основанный на концепции случайности, имеет разнообразные
приближения. Основное приближение, которое приходится применять, - это
допущение стационарности и эргодичности процесса. Допущение о стацио-
нарности процесса позволяет эффективно применять метод корреляционно-
го анализа, с помощью которого можно исследовать различные взаимосвязи.
Способы оперативной обработки БМП
Оперативная обработка БМП является наиболее простой и решает задачи
первой группы. Она позволяет получить следующие характеристики на
определенном временном интервале [1]:
•	среднее значение параметра ту\
•	средневыпрямленное значение В;
•	максимальное значение М;
•	дисперсное D (или о2);
•	кажущуюся частоту f.
292
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Основное достоинство этих характеристик состоит в простоте их получе-
ния. Однако выводы, вытекающие из их анализа, являются слишком по-
верхностными. Между перечисленными характеристиками справедливы
некоторые соотношения, позволяющие определить одну характеристику по
известным другим. Эти соотношения следующие.
1.	Для синусоидальных сигналов:
2л/2
М = 41-<з; Д = -^-а.	(4.10)
л
Пусть:
У(.О = Ут sin со/,
где ут - амплитуда сигнала; со - его частота.
Тогда дисперсия сигнала на интервале времени Т определится из ра-
венства (для стационарного процесса):
D = M[y2{t)\ = ^-\y2m sin2 (Mdt.	(4.11)
Г о
Вычислим интеграл равенства:
jy2 sin2 (Otdt = — J(1 - cos 2(&f)dt -	- -^-2-sin 2co7’.
0	2 0	4a>7’
Учитывая, что СОГ = 2lt, окончательно получаем:
D =	(4.12)
2 V2
Максимальное значение сигнала равно его амплитуде, и, следовательно:
M = g .
Средневыпрямленное значение сигнала В на интервале Топределяется
по формуле:
В = ^- Jsinco/J/.	(4.13)
Г о
После интегрирования получим:
В = ^-.
Л
Учитывая, что ут выражается через среднеквадратическое отклоне-
ние, получаем:
В =	(4.14)
71
293
Современная телеметрия в теории и на практике
2.	Для пилообразных сигналов:
М = л/Зо,А/ = 2В.
3.	Для прямоугольных сигналов с симметричными полупериодами:
М = о .
Все написанные соотношения справедливы для сигналов с нулевым
средним.
По приведенным формулам можно оценить характер исследуемого пара-
метра и составить план дальнейшей обработки [1].
Определение среднего и средневыпрямленного значений
1.	Определение среднего значения.
Оценка среднего значения параметра на интервале времен Т опреде-
ляется по формуле:
m*=^y(tdt).	(4.15)
о
Вычисления по формуле (4.15) осуществляются либо с помощью
цепочек RC, либо интегратора. Для определения параметров этих
устройств необходимо рационально выбрать время усреднения. Оно
выбирается исходя из заданной величины погрешности усреднения,
обусловленной длительностью интервала интегрирования.
Запишем выражение для определения дисперсии оценки среднего
значения:
r>(W;)=M[(|fxW]-	(4.16)
о
Возведя в квадрат и перенеся знак математического ожидания под ин-
теграл, получим:
£>(<) = 4]T\M[y(O,y(t2)]dt{dt2.	(4.17)
*	0 0
Положив tft2 = 6 и произведя операцию вычисления математическо-
го ожидания, будем иметь:
D(m^~\dtx j7(0)d9.	(4.18)
7 0	-6
294
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Рассмотрим интеграл (4.18) подробно, так как он будет использован
в последующих выкладках. Сначала определим область интегрирова-
ния. Новая переменная интегрирования (рис. 4.7) будет:
t=T-Q (при0=7’ t=0, при Q=0 t=T)
или:
Z,=-0 (при Z,=T 0=-Т).
ti ▲
Рис. 4.7. Область интегрирования
С учетом новой переменной интеграл (4.18) запишется в виде суммы
двух интегралов:
Т	т-^	т	о
р, J K(Q)dB = J(T-Q)K(Q)dQ + j(T+0)A^(0)t/0 =.
0	0	-T
= 2j(T-0)/C(0)t/z
о
Теперь формула (4.17) будет иметь вид:
2 о
=	(4.19)
о *
В частном случае, когда корреляционная функция параметра пред-
ставляется соотношением:
К(0) = о>^,
295
Современная телеметрия в теории и на практике
дисперсия среднего значения, согласно равенству (4.19), после инте-
грирования будет:
В случае О.Т > 1 получим:
(4-21)
'	7 аТ
2
Задав погрешность определения среднего значения (5 m , по форму-
ле (4.21) можно найти минимально возможный интервал интегри-
рования при вычислении среднего значения параметра. Однако при
оперативной обработке корреляционная функция процесса, как
правило, неизвестна и, следовательно, пользоваться формулой
(4.19) нельзя. В этом случае можно применить следующее прибли-
жение. Предположим, что спектр частот процесса ограничен снизу
частотой а)0. Тогда корреляционную функцию в смысле протяжен-
ности корреляционной связи можно приближенно представить вы-
ражением:
К (в) = огуе~^ I® । cos(00	(4.22)
при соответствующим образом выбранных а и со.
Представим равенство (4.22) в виде:
п2
_ у Г^-(а+;со)е + е-(а-;со)0
2 L
Подставив его в формулу (4.22), после интегрирования получим:
+—-— 1-----------------—Г1 - e-(a-yw)r
(a-yco)T[ (a-yco)T’L
(4.23)
В предельном случае, когда а=0 и со=со0, соотношение (4.23) примет
вид:

О
у
4	• 2
——Tsm ------
(О02Т2	2
(4.24)
Верхняя оценка равенства (4.24) даёт:
296
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
® mv	4	. 2
--Sin ——
Gy ^T2	2
и
2ov
Т =----
«о
(4.25)
Рис. 4.8. Средневыпрямленное значение
Полученная формула дает решение задачи, то есть позволяет при-
ближенно выбрать минимально возможный интервал интегриро-
вания.
2. Вычисление средневыпрямленного значения. Вычисление этого
значения (рис. 4.8) производится по формуле:
1 о
Интервал интегрирования Т определяется так же, как и при расчете
среднего значения.
Определение дисперсии и кажущейся частоты
Вычисление оценки дисперсии производится по формуле:
1 т
Dy=-\[y(f)-my]2dt.	(4.26)
1 о
Для простоты будем рассматривать сигнал с ту=0. Здесь снова сталки-
ваемся с задачей определения времени интегрирования. Как и в случае
297
Современная телеметрия в теории и на практике
определения среднего значения, при выборе интервала интегрирования бу-
дем исходить из величины допустимой ошибки определения дисперсии [1].
Дисперсия оценки дисперсии:
D(Dy) = M[Dy]-{M[Dy]}2 = M[Dy]-D2.	(4.27)
Математическое ожидание квадрата дисперсии выражается соотноше-
нием:
	(4.28)
0 0
Таким образом, для оценки точности определения дисперсии, как следует
из формулы (4.28), необходимо знание момента четвертого порядка от слу-
чайной функции y(t). Если случайная функция y(t) имеет нормальный за-
кон распределения, то для определения момента четвертого порядка можно
воспользоваться формулой:
М[у2 (/, )у2 (t2)] = М[у2 (/, )]М[у2 (t2)] + 2{М[у^ )y(t2)] }2 =
= £>;+2{Л/[^.)Ж)]}2	(4-29)
С учетом равенства (4.29) соотношение (4.28) запишется в виде:
M[D2]=~ jj[2{W(^lW2)]}2+42]^d,Z2 •	(4-30)
0 0
Следуя рассмотренной методике, получаем:
1 Тг О
M[D2 ] = —- J(1 -—)2К2 (0)de + D2.	(4.31)
о
Для дисперсии оценки дисперсии с учетом равенства (4.31) будем иметь:
о т п
D(Dy) =-[(!--)2К2(0)<Я.	(4.32)
Т S Т
Используя корреляционную функцию вида (4.32), получаем формулу для
определения времени интегрирования:
Кажущаяся частота играет большую роль при изучении усталости различ-
ных конструкций. Наиболее интересной характеристикой усталости конс-
трукций является количество перегибов в единицу времени. Кажущаяся
частота приблизительно описывает число перегибов (рис. 4.9).
298
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Рис. 4.9. Кажущаяся частота
Кажущаяся частота - это количество пересечений нулевого уровня иссле-
дуемым процессом в единицу времени, то есть:
где п - число нулей на интервале Т [ 1 ].
Интервал времени 7’, в течение которого подсчитывается кажущаяся часто-
та, выбирается из условия заданной среднеквадратической погрешности ее
определения и вычисляется так же, как и временной интервал при опреде-
лении среднего значения.
Разница между кажущейся частотой и числом перегибов видна из рис. 4.9.
На интервале Т число нулей, определяющих частоту, равно десяти, а при
определении числа перегибов на том же интервале имеем 11 восходящих
ветвей.
Рассмотренные характеристики параметров измеряются с помощью анало-
гового устройства (рис. 4.10), входящего в состав аппаратуры для измере-
ния спектров. Напряжение, соответствующее реализации параметра, посту-
пает на вход устройства и далее разделяется по трем цепочкам.
Рис. 4.10. Устройство оперативной обработки
299
Современная телеметрия в теории и на практике
Среднее значение определяется усредняющим устройством первой цепоч-
ки. В качестве усредняющего устройства для стационарных эргодических
процессов используются интеграторы и фильтры нижних частот. Для неста-
ционарных случайных процессов применяются сглаживающие фильтры,
построенные на основе операторов текучего сглаживания. В этих устройс-
твах время интегрирования определяется по формуле (4.25).
Измерение дисперсии стационарного эргодического процесса осуществля-
ется во второй цепочке и сводится к измерению средней мощности центри-
рованного процесса. Поэтому в устройство введен разделительный конден-
сатор С. Напряжение реализации центрированного процесса выпрямляется
двухполупериодным выпрямителем. Затем согласно формуле определения
дисперсии выпрямленное напряжение с помощью квадратора возводится
в квадрат и усредняется усредняющим устройством.
Время усреднения определяется по формуле (4.33). В этой же цепочке
производится измерение средневыпрямленного максимального значения.
Средневыпрямленное значение получается после усреднения выпрямлен-
ного напряжения. Максимальное значение процесса на выбранном интер-
вале времени определяется пиковым детектором, который пропускает пик
максимального напряжения на этом интервале.
Измерение кажущейся частоты производится в третьей цепочке устройс-
тва. Напряжение реализации центрированного процесса поступает на триг-
гер Шмидта, который срабатывает в момент перехода сигнала через нуле-
вой уровень. Дифференцирующая цепочка выдает импульсы в момент
срабатывания триггера, которые в формирователе приводятся к виду,
удобному для счета. Число импульсов за одну секунду определяет кажу-
щуюся частоту.
4.2.4. Методы повышения достоверности данных
ТЕЛЕКОНТРОЛЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ
Достоверность данных телеконтроля достигается повышением точности
измерения значений физических процессов и устранением вредного дейс-
твия помех.
Методы повышения точности измерения физических процессов
Методы повышения точности измерения физических процессов направ-
лены на повышение точности датчиковой аппаратуры и измерительных
трактов радиотелеметрических систем (РТС).
300
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
1.	Поскольку на датчик помимо физического процесса X(t) , оказыва-
ют воздействие другие физические процессы (X,,..., Хп), то тариро-
вочная характеристика как бы «расплывается» (становится много-
мерной) и в действительности имеет место зависимость:
5(/) = /(А(0),
где X(t)= (k(t), ‘к1 (t),\(t))‘.
Учет вредных воздействий производится путем измерения параметров
физических процессов ..., и разработки оператора:
5/ = g(S(0 ,	(4.34)
где S\ - уточненное значение Sn; S(t) - вектор измеренных воздействий
на датчик (S(t)=(Sn, S1n,S”J).
Если в качестве величин S1n, S”n используются сигналы с допол-
нительных датчиков, измеряющих значения того же процесса X(t),
то говорят, что оценка S'n получена с помощью введения структурной
избыточности.
2.	Датчик, как и всякая реальная система, обладает инерционностью.
Это проявляется в том, что его реакция Sn(t) на единичный скачок
входного воздействия отлична от скачка. Поэтому при быстрых из-
менениях входного процесса X(t) (этот особо важный случай, как
правило, возникает при неисправностях контролируемой аппара-
туры) выходная величина Sn(t) как бы «отстает» от изменений K(t).
Учет динамической погрешности датчика k(t)- Sn(t) производится
различными методами и составляет важный этап повышения точ-
ности датчиковой аппаратуры.
3.	Для повышения точности измерений можно использовать корреля-
ционные связи между параметрами. Например, в силу постоянства
объема давление и температура зависят друг от друга. Таким обра-
зом, значение Sn(t) с выхода одного датчика может быть уточнено
путем использования информации с других датчиков.
4.	Учет изменения телеметрической шкалы (4.2) также позволяет
повысить точность измерения телеметрируемых параметров. Из-
менение шкалы (величин S1 и 5?) обусловлено медленным измене-
нием напряжения питания датчиков. Для устранения этих флукту-
аций производят усреднение сигналов калибровки S1nS3. За время
усреднения напряжение источника можно считать постоянным,
так как при используемых значениях частоты опроса за несколько
периодов опроса оно не успевает измениться.
301
Современная телеметрия в теории и на практике
Методы учета влияния помех
Важное место в повышении достоверности данных телеконтроля занима-
ют методы учета влияния помех. Рассмотрим три основных метода борьбы
с искажениями ТМИ:
•	отбраковку аномальных ошибок измерения функциональных пара-
метров;
•	сглаживание измерений функциональных параметров;
•	отбраковку ложных срабатываний сигнальных параметров.
1. Передача функциональных параметров в цифровой форме осущест-
вляется путем передачи последовательностей двоичных импульсов.
Оптимальный приемник таких сигналов настроен на оптимальный
прием одиночного импульса. Поэтому искажения значения парамет-
ра, связанные с неправильным приемом импульса, равновероятны
как для старших, так и для младших разрядов кода. По этой причине
искажения при передаче параметра (рис. 4.11) имеют вид выброса
(аномальное измерение). Аналогичные искажения мотут возникать
при аналоговой передаче функциональных параметров (например,
при передаче способом ВИМ к аномальному измерению может при-
вести появление импульса помехи в канальном интервале параметра).
Отбраковка аномальных ошибок основана на ограниченности полосы
пропускания датчика (0+F). В силу этой ограниченности автокорре-
ляционная функция параметра не может быть уже, чем l/f\
Sn i
Аномальные
------------------------>
t
Рис. 4.11. Искажения при передаче параметра
Поскольку частота опроса выбирается в несколько раз больше гранич-
ной частоты спектра, то соседние измерения оказываются статистичес-
ки зависимыми и каждое последующее измерение может отличаться
от предыдущего на величину A5w, зависящую от автокорреляцион-
ной функции параметра. Оценим эту зависимость в предположении,
что параметр Sn(t) является марковским процессом, распределенным
по нормальному закону с математическим ожиданием ms, дисперсией
о2 и коэффициентом автокорреляции за период опроса р(Т^).
302
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Используя методы оптимального линейного предсказания, основан-
ные на предсказании значения измерения Sn^1 при имеющемся изме-
рении Sni с минимизацией дисперсии ошибки предсказания по крите-
рию наименьших квадратов, можно показать, что в среднем значение
измерения (рис. 4.12):
гае Л =5_, -от,;	= ^“-от,.
Следовательно, разница между соседними измерениями в среднем
составляет:
^=3,(4.35)
В действительности величина Д5л имеет случайный характер со слу-
чайным распределением со(Д5Д математическим ожиданием AS?
и дисперсией:
<*!,, =<ЧП-р2О-	(4.36)
К погрешности предсказания &Sn следует добавить суммарную по-
грешность ах, вносимую датчиком и РТС. Тогда:
•	(4.37)
Если случайная величина Д5; распределена по нормальному закону,
то, используя правило «Зо» , получим максимальное различие после-
дующего отсчета от предыдущего:
Д5 = Д^°+Зо v .	(4.38)
Отбраковка отсчетов, содержащих аномальные ошибки, сводится
к нахождению разности последующего и предыдущего отсчетов и
проверке этой разности на порог:
Д5
пор	п max
Рис. 4.12. Случайный характер измерений
303
Современная телеметрия в теории и на практике
Коэффициент k вводится для загрубления алгоритма отбраковки.
Он имеет обычно величину порядка единиц. Загрубление алгоритма
необходимо потому, что телеметрируемые параметры носят неста-
ционарный характер, вследствие чего возможны изменения меж-
ду смежными измерениями, превышающие значение &$птах. Если
для (i + 1)-го измерения Д5л>Д5ио/),то измерение отбрасывается как
содержащее аномальную ошибку.
2. Сглаживание измерений функциональных параметров заключается в
применении операторов сглаживания помехи, наложенной на сигнал
(рис. 4.13). При аддитивной помехе результат измерения S’n(t) можно
представить в виде суммы параметра Sn(t) и случайной помехи n(t):
S'n(t) = Sn(t) + n(t).
Если помеха содержит более высокочастотные составляющие, чем па-
раметр, то ее ослабление может быть достигнуто путем сглаживания
Рис. 4.13. Измеренный и сглаженный сигнал
При сглаживании выделяется низкочастотная часть спектра сигнала
Sf (t) , а ошибки, возникающие за сче^ уничтожения (фильтрации)
«хвостов» спектра, оказываются незначительными. В то же время ин-
Рис. 4.14. Спектр сглаженного сигнала
тенсивность шумов резко
уменьшается (рис. 4.14).
Ошибки, возникающие за
счет фильтрации «хвос-
тов» спектра сигнала,
называются динамичес-
кими, а ошибки, обуслов-
ленные остаточным шу-
мом после фильтрации,
- случайными.
304
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Полосу фильтра следует выбирать таким образом, чтобы резуль-
тирующая погрешность, обусловленная динамической и случайной
ошибками, была минимальной.
При обработке данных задача сглаживания реализуется путем ап-
проксимации параметра какой-либо функцией. Этими функциями
могут быть степенные полиномы, ряды Фурье, полиномы Чебыше-
ва и т. п.
С практической точки зрения наибольший интерес представляет сгла-
живание с использованием неоптимальных, но просто реализуемых
операторов среднего и экспоненциального сглаживания.
Задача исследования этих операторов сглаживания состоит в опреде-
лении оптимальных параметров сглаживающих устройств или алго-
ритмов и оценке эффективности сглаживания. В общем виде сглажи-
вание можно выразить оператором:
7=0
где со. - весовая функция; АГ- интервал осреднения.
Таким образом, сглаживание сводится к усреднению измерений, взя-
тых с определенным весом со., который учитывает важность измере-
ния Snj J для оценки среднего значения Sni.
Сглаживание напоминает оценку математического ожидания. Сущес-
твенным отличием сглаживания является то, что оно предназначено
для оценки параметров, на которые наложены помехи. В связи с этим
сглаживание должно производиться таким образом, чтобы параметр
искажался возможно меньше, а помеха устранялась возможно боль-
ше.
Ошибка после сглаживания 6z(t) параметра состоит из двух компо-
нентов :
где 8а (/) Д,7 (/) - динамическая и случайная составляющие.
Составляющая 8а обусловлена инерционностью фильтра
(ограниченностью полосы пропускания) и возрастает с ростом
скорости изменения Sn(t) (ширины спектра). Она имеет место и
при отсутствии помех.
Случайная составляющая обусловлена наложением остаточных по-
мех на сигнал.
305
Современная телеметрия в теории и на практике
Суммарная текущая ошибка сглаживания может быть найдена как
разность сглаженного Sn(t) и действительного S'n(t) значений:
/V-I	У-1
8 =5 -5' =[Усо5 +	..
/ т ni	т J Z / i-j
7=0	y=o
Первое слагаемое представляет собой динамическую, а второе - слу-
чайную ошибку сглаживания. Так как динамическая и случайная
ошибки независимы, то:
Оптимизация алгоритма сглаживания состоит в минимизации
суммарной ошибки.
По существу, оптимизация трех рассматриваемых квазиоптимальных
алгоритмов сводится к определению числа усредняемых измерений,
так как единственным параметром алгоритмов, который можно варь-
ировать, является параметр М
Для симметричного оператора сглаживания, когда его автокор-
реляционная функция имеет вид е*а(т|, оптимальное число усредняемых
измерений [21:
N =
где О 5 - дисперсия параметра; ато=7'(/тх..
3. Устранение влияния помех для сигнальных параметров заклю-
чается в защите от регистрации ложных срабатываний контакт-
ных датчиков (КД).
Выделение сигналов срабатываний КД осуществляется на основании
сравнения сигнала на выходе приемного устройства с установленным
порогом. Решение о срабатывании КД принимается по появлению им-
пульса, амплитуда которого отлична от предыдущего импульса: замы-
канию соответствует повышение уровня сигнала, а размыканию - по-
нижение (рис. 4.15а). Появление помехи в моменты времени между
срабатываниями приводит к регистрации сразу двух ложных срабаты-
ваний (рис. 4.156), одно из которых соответствует появлению помехи,
а второе - следующему за помехой неискаженному сигналу. Очевид-
но, что от таких ошибок можно избавиться путем интегрирования сиг-
налов срабатываний. При рассмотрении количественной оценки сиг-
нальной информации было показано, что для надежной регистрации
306
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
S
вероятность ошибки долж- п
на удовлетворять соотно-
шению рош < pi. Практичес-
ки это означает, что рош <
108. Интегрирование
производится путем сумми-
рования квантованных сиг-
налов.
tcp	t
б)
Рис. 4.15. Выявление срабатываний КД
Таким образом, схема обработки срабатываний КД содержит два по-
роговых устройства, первое из которых осуществляет выделение дво-
ичных сигналов срабатывания КД, а второе - сравнивает накоплен-
ную сумму срабатываний с определенным порогом (рис. 4.16). Этот
второй порог называется порогом счета.
В общем случае срабатывание КД фиксируется тогда, когда появля-
ются k из п подряд следующих импульсов. Величина k представляет
собой порог счета (рис. 4.17). При n=k вероятностьрош = pck и для сум-
мирования достаточно двух-трех импульсов, однако при этом велика
вероятность пропуска срабатывания, так как любое искажение на ин-
тервале осреднения приводит к пропуску. Поэтому важно рациональ-
но выбрать k < п.
Рис. 4.16. Схема обработки срабатываний КД
Пусть уровень первого порога обеспечивает вероятность превышения
его сигналом рс и шумом рн). Тогда вероятность того, что из п импуль-
сов i превысят порог:
а(М=<Х(1-л)"“'-
307
Современная телеметрия в теории и на практике
а аналогичная вероятность для шума:
Рш =с>пРш^-Рш)П
Вероятность правильного обнаружения сигнала соответствует тому,
что на интервале п импульсов более чем к из них превысят порог:
рп = £рс(пр)-
i-k
Вероятность ложного обнаружения (ложной тревоги):
рл = ±РшМ-
i = k
К
(4.39)
SnA
(4.40)
К
'------V------1	'------м-------' t
п	п
Рис. 4.17. Соотношение кип при фиксации
срабатываний КД
Требуемые вероятности Рп и Рл в соответствии с формулами (4.39) и
(4.40) можно получить при различных сочетаниях величин кип.
Обычно первый порог выбирается таким, чтобы обеспечить требуе-
мую величину Р;г Оптимальный порог, при котором обеспечивается
минимальная вероятность ложных тревог при минимальном числе
суммируемых импульсов, соответствует рш = 0,1+02. Однако, при со-
отношении сигнал-шум порядка трех проигрыш оказывается весьма
незначительным при изменении вероятности рш в пределах от 0,2
до 0,01 (рис. 4.18). Оптимальный порог счета:
к = \,$4п.	(4.41)
Оптимум второго порога счета, так же как и первого, не является очень
острым. Так, например, при п = 5 минимум входного отношения сиг-
нал-шум соответствует k = 3+-4 в широком диапазоне значений Р и Рн.
превышения порога шумом
308
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Величина первого порога обычно устанавливается исходя из требова-
ний на передачу функциональных параметров. Этот порог соответс-
твует рща10‘4 и соотношению сигнал/шум порядка трех. Из рис. 4.18
следует, что в этом случае с достаточной для практики точностью
можно пользоваться формулой (4.41).
При рш«1 ирг = 1 -рш формулы (4.39) и (4.40) можно привести к более
удобной форме:
Р. =С,‘/(1-р)-‘ +... + Р- *С‘р‘,	(4.42)
P^tw-рЛр^-р..У'
i=k
В проведенных рассуждениях считалось, что в момент срабатывания проис-
ходит увеличение сигнала, условно соответствующее замыканию. Однако
КД может как замыкаться, так и размыкаться. Поэтому после того, как
зафиксировано замыкание, устройство обработки должно перестроиться
на обнаружение перехода сигнала с высокого уровня на низкий. Это обсто-
ятельство следует учитывать в системах обработки.
4.2.5. Дешифровка телеметрической информации
Алгоритмы автоматизированной дешифровки телеизмерения
Автоматизированная дешифровка телеизмерений включает в себя два после-
довательных этапа. На первом этапе производится калибровка телеизмерений.
Второй этап составляет собственно дешифровку откалиброванных значений.
Калибровка телеизмерений осуществляется по калибровочной характерис-
тике тракта передачи телеметрической информации. Основой для расчета
калибровочной характеристики служат калибровочные уровни локальных
коммутаторов. Значение каждого г-го калибровочного уровня соответству-
ет определенной величине шкалы телеметрического масштаба в процентах.
При нелинейной шкале по каналам локального коммутатора передается
несколько равноотстоящих калибровочных уровней между 0 и 100%. Если
РТС имеет достаточно линейную характеристику, то нет необходимости ис-
пользовать все калибровочные уровни. В этом случае используют уровни,
соответствующие 0 и 100% шкалы телеметрического масштаба. Обозначив
эти уровни через у0 и у100 соответственно, калибровочную характеристику
представим аналитически в виде:
и= У-~Уй -100%,	(4.43)
-Vioo ~Уо
где у - текущее значение шкалы.
309
Современная телеметрия в теории и на практике
В формуле (4.43) у, уд, у100 представляются в двоичном ^-разрядном коде.
Откалиброванное значение параметра в соответствии с равенством (4.43)
определяется по формуле:
= ^(.У1оо-Л) + ^	/4 44)
100	’
Для исключения влияния помех на калиброванное значение производится
сглаживание измерений калибровочных уровней.
В ряде задач первичной обработки возникает необходимость в так называе-
мой обратной калибровке некоторых параметров. Такая необходимость,
в частности, возникает в задаче обнаружения отклонения параметра от за-
данных пределов. В этом случае величины порогов обнаружения е и уста-
вок 8 обычно заданы в процентах от полного значения диапазона изменения
параметра и калибровка порога обнаружения производится по формуле:
Е% z
е ” IQQ ’(Тюо То) ’
а уставок - по формуле:
я 5%/	\
3 “ у^(Т|оо_У°) + То-
Преимущество обратной калибровки состоит в том, что поскольку значе-
ния порогов и уставок неизменны во времени, то отпадает необходимость в
калибровке каждого текущего измерения параметра, так как для проверки,
например, условия у <8 достаточно проверить, что yt[b]<8[b]. В данном слу-
чае отпадает необходимость в калибровке самого параметра, а производит-
ся калибровка исходных данных для того или иного вида его обработки.
Калиброванные значения параметров с помощью тарировочных характе-
ристик преобразователей переводятся в истинные значения, то есть про-
изводится их дешифровка. Тарировочные характеристики (ТХ) вводятся в
ЭВМ в виде таблиц узловых точек или в виде коэффициентов аппроксима-
ции кривой ТХ. Способы дешифровки параметров различаются в зависи-
мости от способа представления ТХ. При представлении ТХ в виде таблицы
определение значения параметра производится по формуле интерполяции:
X	.(«_„,) ^	(4.45)
w,+1-w,.
где \+/, X, w.+/, ui - координаты узловых точек ТХ; у - калиброванное значе-
ние параметра.
310
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Для машинного счета формулу (4.45) удобно представить в виде:
/V • - /V.	Г /v/+1	,
Ui+l~Ui
предположив при этом, что номера координат точек ТХ, между которыми
находится значение параметра, известны.
При дешифровке температурных параметров непосредственно форму-
лой (4.46) пользоваться нельзя, так как они имеют двойную ТХ. Сначала
по калиброванному значению температурного параметра определяют со-
ответствующее сопротивление датчика, а затем по этому сопротивлению
из ТХ находят температуру. На первом шаге определение сопротивления
производится по формуле:
уi = + 7"+1...V	~г-)%’	(4-47)
где г. - калибровочные сопротивления температурного моста; у“ - резуль-
тат измерений.
Для машинного счета формулу (4.47) удобно записать в виде:
Если нет необходимости учитывать нелинейность температурного моста, то
равенство (4.72) можно записать в следующей форме:
где гг г5 - сопротивления соответствующих плеч моста.
На втором шаге перевод величины у. (в омах) в градусы температуры про-
изводится по формуле (4.46).
В случае аналитического представления ТХ дешифровка производится по
формуле:
т
К=ХакУ* -
к=0
где ak - коэффициенты аппроксимации ТХ.
Аппроксимирующий полином ТХ обычно бывает не выше третьей степени.
Аппроксимация ТХ полиномом степени т является наиболее рациональ-
ным методом ее представления в ЭВМ. В этом случае в памяти хранится т
коэффициентов, тогда как при табличном способе представления необхо-
димо хранить всю таблицу
311
Современная телеметрия в теории и на практике
Аппроксимация тарировочных характеристик
Аппроксимацию ТХ можно производить различными способами, среди
которых особо следует выделить построение полинома с использованием
равномерного приближения. Задача аппроксимации решается следующим
образом. Сначала делается попытка аппроксимировать ТХ полиномом пер-
вой степени:
А. = а0 +ахи.
Коэффициенты а0, а1 определяются по методу наименьших квадратов из
системы уравнений:
п	п
/=1	/=1
>
п	и	п
/=1	/=1	/=1
где п - число узлов ТХ.
Решение системы (4.48) даёт значение коэффициентов:

(4.48)
Затем проверяется правильность подбора полинома. Для этого вычисляет-
ся величина е, характеризующая отклонение полинома от заданной ТХ,
по формуле:
п
(4.49)
где ДХ = )\!‘ст -	; 'Х!‘ст - истинное значение параметра по ТХ; - рас-
считанное значение. Если полученная величина удовлетворяет условию:
£ < a (\nax \nin ) ’
(4.50)
где ст, - допустимая относительная ошибка аппроксимации, то полином
подобран правильно. Если это условие не выполняется, то производится
аппроксимация ТХ полиномом второй степени:
X = aQ + а{и + а2и2.
312
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Определение коэффициентов а0, аг а2 производится решением системы
уравнений:
ai хи>+ai х м<з+a<>iui=i ’
/=1 /=1 /=1 /=1
«2 е +х м<2+ао i и> =i >
/=1	7=1	7=1	/=1
а2 Е W<2 + а1 i Ui +ао”=Х К 
/=|	/=|	1=1
В результате решения системы получим:

«2=-^--
«Ь2
Г « ?
-Еч2
После этого снова вычисляется 8 по равенству (4.49) и проверяется усло-
вие (4.50). Если оно выполняется, то задача решена. В противном случае
строится полином третьей степени.
Ввиду того, что с повышением степени полинома увеличивается возмож-
ность накопления ошибок вычислительного характера, может случиться,
что величина 8, вычисленная для полинома третьей степени, не будет удов-
летворять условию (4.75 50) и может даже превзойти величину 8, найден-
ную для полинома низшей степени. В этом случае для аппроксимации ТХ
используется полином, у которого величина 8 минимальна.
При аппроксимаций ТХ иногда необходимо построить полином так, чтобы
аппроксимирующая кривая проходила через заданную точку ТХ. В этом
случае коэффициенты аппроксимации находятся из уравнений:
313
Современная телеметрия в теории и на практике
- для полинома первой степени:
«о=Ч ~аив,
- для полинома второй степени:
^0	^0	^2^0	^1^0
/=1
а2 (w/ W0 ) + а\ У^ W0 )(wz W0 ) “ У^ ^0 )(Wi W0 )•
z=l	z=l	z=l
Используя метод наименьших квадратов, можно получить уравнение для по-
линома третьей степени.
При отображении результатов обработки на графических устройствах необ-
ходимо привести данные телеизмерений параметра и его ТХ к масштабу гра-
фика. Получим соотношения для перевода этих данных в масштаб графика.
Диапазон измерения параметра или аргумента ТХ на графике отобразится
числом масштабных единиц:
В _ К ~ \)
т
где Хо - начало ТХ, а для параметра - начало отсчета его ординат на графи-
ке; т - масштаб графика.
Так как величина Хо в общем случае может не совпасть с началом координат
графика, то ее значение учитывается числом масштабных единиц /, то есть:
в' = VA+/
т
Суммарная ордината в двоичных единицах:
Pi!p = f —— + Д «	(4-51)
\ т J
где k - число двоичных единиц, содержащихся в масштабной единице графика.
314
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
По равенству (4.51) осуществляется перевод значений параметра в соот-
ветствующие величины на графике. В ЭВМ с фиксированной запятой ре-
зультат, полученный по формуле (4.51), нормируется величиной машинно-
го масштаба.
Привязка результатов обработки телеизмерений ко времени
Результаты обработки телеизмерений привязываются к московскому вре-
мени. Привязка может производиться с помощью шкалы наземного време-
ни приемной РТС или шкалы бортового времени. Для привязки результа-
тов обработки при использовании шкалы наземного времени необходимы
следующие исходные данные:
•	время данного измерения относительно момента включения запоми-
нающего устройства (ЗУ);
•	московское время пуска ЗУ;
•	московское время передачи команды на воспроизведение tv оконча-
ние воспроизведения t2, начало запоминания tr конец запоминания
•	коэффициент трансформации т времени воспроизведения по отно-
шению ко времени запоминания;
•	состояние запоминающего устройства (ЗУ) и направление воспроиз-
ведения.
В зависимости от режима работы бортовой РТС имеются следующие вари-
анты привязки по времени:
а)	в режиме непосредственной передачи:
С? = ^0 + РТС '
где tTPTC - текущее время приемной РТС;
б)	в режиме воспроизведения при незаполненном ЗУ:
/1 -m(tT ~^\)ртс при t2PTC рте > 1\ртс>
tn “ *
/0 + tT РТС при tT РТС > t2 рТС ->
где /jрте	“ /q , GРТС = G ~>
в)	в режиме воспроизведения при заполненном ЗУ:
^2 РТС “ ^Т РТС > А РТС ’
Т РТС > G РТС
(t4-m(tT ~t\)pTc при
+ ^Т РТС	при t
315
Современная телеметрия в теории и на практике
г)	в режиме воспроизведения при повторном воспроизведении:
(/3 4- rn(tT — /j}рТ£ при t2 pTQ	tT PTC > pre ’
+ Zr PTC	при tT PTC > t2 PTQ,
где /3 ртс — /3 /0.
Алгоритм, с помощью которого производится привязка по времени, пока-
зан на рис. 4.19. Какую операцию выполняет каждый элемент, определяется
из приведенных формул.
Рис. 4.19. Структурная схема алгоритма временной привязки
С помощью логических элементов определяются режимы работы РТС. В эле-
менте 7 проверяется, первое ли воспроизведение ЗУ, а в элементе 8 - за-
полнено ли ЗУ.
316
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
При использовании шкалы бортового времени привязка к московскому
времени производится по формуле:
^/7 == ^0 +	~ ’
где t™ - московское время сброса на нуль счетчика бортового времени;
- цена основной и промежуточной меток (с); No, NfJ - значения
основной и промежуточной меток.
В режиме НП и обратном воспроизведении 8=0, а при прямом воспроизве-
дении 5=Х0. Алгоритм реализуется программно в виде двух блоков.
4.3. ВТОРИЧНАЯ ОБРАБОТКА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ*
4.3.1.	Исследование поведения объекта и решение задач
ИДЕНТИФИКАЦИИ
Задача и методы определения характеристик систем
Идентификация и техническое диагностирование являются неотъемле-
мой частью процесса разработки, испытаний и эксплуатации различных
технических объектов. Задача определения характеристик процессов и
объектов може'т быть поставлена следующим образом [1]. Получена вы-
борка результатов измерений, относящихся к известным моментам време-
ни, известна математическая модель функционирования объекта в виде
зависимости (4.77) и ее предшествующих соотношений:
h(t) = h(Q,t),	(4.77)
где h(t) - вектор-функция измеряемых параметров; Q - вектор обобщенных
характеристик объекта.
Требуется определить параметры состояния и значения числовых характе-
ристик элементов и систем, а также обобщенные характеристики объекта
в целом.
* Материалы подготовлены при поддержке гранта Президента Российской Федерации «Для
поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ Российской Федерации»
№ МК-2822.2003.09
317
Современная телеметрия в теории и на практике
Возможна и другая постановка задачи, когда математическая модель объ-
екта неизвестна. В этом случае по результатам измерений необходимо по-
строить математическую модель объекта, то есть создать структуру модели
и определить ее характеристики. Это - более сложная задача, решением ко-
торой занимается отдельная отрасль знаний, поэтому идентификация тех-
нических систем будет рассмотрена ниже.
В данном подпункте будем рассматривать задачу определения харак-
теристик в первой постановке.
В зависимости от состава, количества и точности телеметрических данных,
используемых для получения оценок параметров состояния и характерис-
тик объекта, в зависимости от полноты и адекватности математической
модели, используемой при обработке измерений, а также в зависимости
от уровня априорной информации и требуемой точности оценок для обра-
ботки данных могут использоваться либо детерминированные, либо ста-
тистические методы [1].
Под детерминированными методами определения характеристик будем
понимать методы, основанные на использовании однозначной простой
связи между определяемой характеристикой q или параметром состоя-
ния X, с одной стороны, и соответствующими измеряемыми параметрами,
с другой стороны, без учета ошибок последних. При этом состав и коли-
чество измеряемых параметров должны быть такими, чтобы указанную
связь можно было построить в виде сравнительно простой формулы:
=	j,/ = l(l)w, но I* j,	(4.78)
где - определяемые числовые характеристики; hv...,hmj - измеряемые па-
раметры; т - число измеряемых параметров, используемых для определе-
ния ;-й характеристики.
Обычно число т. равно минимально необходимому количеству измеряемых
параметров для определения q или незначительно его превышает. Число
т{ обеспечивает получение одного значения q Поэтому рассматриваемый
метод часто называют методом определения характеристик по минимуму
данных [1].
При построении зависимости (4.78) никаких мер для уменьшения влия-
ния погрешностей измерения на результат q не принимается. Однако если
известны погрешности измерений или их вероятностные характеристики
(например, СКО), то погрешность определяемой по формуле (4.78) харак-
теристики может быть вычислена следующим образом:

(4.79)
318
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
где г7 - коэффициент корреляции погрешности z-ro измерения с /-м; о., oz -
среднеквадратические погрешности тех Же измерений.
Частные производные dqi/dhi и dqj/dhl вычисляются по формулам, получен-
ным путем дифференцирования выражения (4.78).
Достоинствами детерминированных методов являются наличие сравни-
тельно простой зависимости (4.78), которая позволяет легко, а во многих
случаях и наглядно, проанализировать влияние измеряемых параметров
на определенную характеристику, исследовать влияние ошибок измерений
на точность полученной оценки и выбрать оптимальный состав измеряе-
мых параметров для определения данной характеристики, а также просто-
та алгоритмов и малые затраты машинного времени [1J.
Недостатками детерминированных методов следует считать практическую
невозможность повышения точности результата при неизменной (недо-
статочной) точности измерений, а также необходимость построения пол-
ностью новой зависимости (4.78) и алгоритма ее машинной реализации
при изменении состава измеряемых параметров, используемых для опре-
деления одной и той же характеристики. Кроме того, оценка у-й характе-
ристики (<? ) требует в общем случае знания многих других характеристик
q{ при /ту, которые очень часто также неизвестны. По этой причине всю со-
вокупность неизвестных характеристик qv..,,qm необходимо определять од-
новременно, решая систему из т уравнения типа (4.78), а это уже усложня-
ет процесс решения задачи [1].
Иногда число измеряемых параметров, полученных в один момент време-
ни, является недостаточным для нахождения всех характеристик (т<т).
Тогда используют измерения, полученные в различные (разнесенные) мо-
менты времени. Интервалы времени между этими измерениями следует
выбирать такими, чтобы измеряемые параметры за это время заметно изме-
нялись (в этом случае система уравнения не будет вырожденной), но в то же
время эти интервалы должны быть не настолько большими, чтобы сущест-
венно изменилась сама искомая характеристика.
Детерминированные методы исходя из их свойств целесообразно исполь-
зовать для определения небольшого количества параметров состояния эле-
ментов и некоторых характеристик систем, когда имеются надежная инфор-
мация о структуре этих систем и достаточно точные измерения требуемого
состава.
Наиболее целесообразно детерминированные методы применять при обра-
ботке оперативно используемой информации в контуре управления объектом.
Статистические методы определения характеристик систем объекта пре-
дусматривают привлечение значительно большего количества измерений,
319
Современная телеметрия в теории и на практике
чем минимально необходимое (т}), с целью повышения точности оценок.
Кроме того, статистические методы позволяют более просто, по сравне-
нию с детерминированными методами, решать задачу одновременного
определения многокомпонентного вектора характеристик объекта в це-
лом. В ряде случаев к числу определяемых характеристик удается отнести
не только характеристики объекта и его систем, но и характеристики усло-
вий, окружающих объект, иногда даже характеристики сильно коррелиро-
ванных погрешностей получаемых оценок, вызванных неизвестными сис-
тематическими погрешностями измерения [1].
Рассматриваемые в дальнейшем статистические методы являются частны-
ми случаями разработанной в 40-х гг. XX века теории статистических реше-
ний. Наиболее широкое распространение при определении характеристик
по результатам измерения получили следующие статистические методы:
•	метод максимального правдоподобия;
•	метод наименьших квадратов;
•	метод максимальной апостериорной вероятности.
Эти методы позволяют строить два вида вычислительных алгоритмов
(процедур, схем): оптовые (разовые) и рекуррентные. Реализация разовых
алгоритмов предусматривает одновременное использование всей выборки
накопленных за определенное время измерений. Рекуррентные алгорит-
мы позволяют обрабатывать результаты измерений по мере их поступле-
ния [1].
Статистические методы лишены многих недостатков, присущих предыду-
щим методам. Они позволяют существенно повысить точность оценок по
сравнению с точностью, обеспечиваемой детерминированными методами,
при использовании измерений одинаковой точности. Большая часть алго-
ритма статистических методов не зависит от состава измеряемых парамет-
ров или оцениваемых характеристик. При их замене изменения вносятся
лишь в отдельные блоки алгоритма. Оценка точности найденных характе-
ристик производится стандартными приемами попутно с решением задачи
определения характеристик.
Недостатком статистических методов следует считать, как правило, зна-
чительно больший объем вычислений, чем при использовании детермини-
рованных методов. Кроме того, требуемая для реализации статистических
методов машинная память обычно также больше за счет увеличения масси-
вов измерений, их корреляционной матрицы и т. п.
Возможны и находят применение на практике различные комбинации
детерминированных и статистических методов для определения оценки
характеристик систем и объекта в целом по результатам телеизмерений.
320
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Если временные зависимости результатов измерений входных и выходных
параметров системы сначала сгладить статистическим методом, а потом
уже сглаженные значения их использовать для определения характеристик
по формуле (4.78) детерминированного метода, то получим существенный
выигрыш в точности. Однако время, затрачиваемое на решение, несомнен-
но, увеличится за счет необходимости проведения сглаживания результа-
тов измерений [1].
Возможен и другой подход, заключающийся в вычислении нескольких зна-
чений искомой характеристики по формулам детерминированного метода
при различных вариантах состава измерения. Полученную таким образом
выборку случайных значений оценок искомой характеристики подвергают
статистической обработке.
В качестве конечного результата оценки характеристики используют оцен-
ку математического ожидания выборки.
Анализ состояния и функционирования объекта и его систем заключает-
ся в следующем: в сравнении фактических значений параметров состояния
и характеристик систем с их требуемыми расчетными или допустимыми
значениями; выявлении причин получившихся отклонений; определении
фактических значений возмущающих факторов; выработке рекомендаций
по устранению причин имеющихся отклонений и т. д. Поэтому анализ тре-
бует определения всех характеристик и параметров состояния.
Такой анализ представляет собой очень сложную задачу, решение кото-
рой в полном объеме сопряжено со значительными трудностями, как в ее
постановке и формализации, так и в вычислительном плане, даже с учетом
высокого быстродействия и большого объема памяти современных ЭВМ.
Поэтому в большинстве случаев общую задачу анализа разделяют на ряд
частных задач:
•	определение и анализ характеристик объекта;
•	определение и анализ параметров состояния объекта в различные
моменты времени;
•	определение и анализ характеристик основных систем;
•	определение характеристик возмущений и т. д.
Найденные оценки сравниваются с расчетными или требуемыми значения-
ми, оценивается достоверность полученных результатов на основе обработ-
ки многих экспериментальных или эксплуатационных актов. По результа-
там этих сравнений вырабатываются рекомендации для принятия решения
по управлению объектом или по его технической доработке и совершенс-
твованию процесса эксплуатации и применения [1].
11 Зак. 861
321
Современная телеметрия в теории и на практике
Идентификация телеметрируемых объектов
Определение параметров и структуры математической модели, обеспечи-
вающих наилучшее совпадение выходных координат модели и процесса
при одинаковых входных воздействиях, называется идентификацией [3].
Приведенное определение в равной степени распространяется не только на
процессы, но и на технические объекты (функционирование объекта, опи-
сываемое моделью, есть также процесс) и на то, что определение параметров
и структуры объекта производится по наблюдаемым сигналам - входному
воздействию и телеметрируемым параметрам.
Идентификацию можно рассматривать как неотъемлемую часть процесса
диагностирования, связанную с определением текущих значений парамет-
ров (а иногда и структуры) объекта, которые используются в качестве при-
знаков для последующего определения его технического состояния. Иными
словами, идентификация есть процесс построения модели объекта по ре-
ализациям его входных и выходных сигналов, предшествующий процессу
определения его технического состояния.
Получение исчерпывающих сведений о структуре и параметрах объекта,
находящегося в различных технических состояниях, включая неработоспо-
собные, не всегда возможно в реальных условиях [3]. Например, весьма за-
труднительно определить адекватную структуру объекта при наличии в
нем дефектов типа «обрыв» и «короткое замыкание» в условиях жестких
временных ограничений, обусловленных необходимостью быстрейшего
определения дефекта в функционирующем объекте.
При поиске дефектов приходится чаще всего ограничиваться данными не-
посредственных измерений входных и выходных сигналов без определе-
ния параметров объекта. Но это вовсе не означает, что при поиске дефек-
тов не требуется построения и использования модели диагностируемого
объекта. Модель, конечно, используется, но, во-первых, она имеет специ-
фический вид, а во-вторых, построение ее производится заранее путем
проведения значительных по объему экспериментальных исследований
как в лабораторных, так и натурных условиях [3].
Такая модель содержит в себе априорные сведения об объекте диагностиро-
вания и его технических состояниях. Эти сведения используются совмест-
но с результатами текущих измерений, выполняемых на объекте, для опре-
деления его технического состояния, в частности, для поиска дефекта в нем.
Так как построение модели по результатам текущих измерений не предус-
матривается (однако возможно уточнение ее), то время поиска дефекта зна-
чительно сокращается.
Априорная информация имеет важное значение при осуществлении иден-
тификации и технического диагностирования. Чем больше объем этой
322
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
информации, тем быстрее и точнее определяется состояние объекта. При
полном отсутствии априорной информации ни идентификация, ни диаг-
ностирование объекта не осуществимы.
Специфичность формы представления модели связана с тем, что из нее
стремятся исключить детали, выходящие за рамки поставленной цели диа-
гностирования. Например, в модели, ориентированной на поиск дефектов
с заданной глубиной, описываются только те состояния объекта, которые
соответствуют отказам его составных частей, с точностью до которых опре-
деляется место дефекта. Благодаря этому достигается максимальное упро-
щение модели и повышение оперативности при отыскании дефекта.
Таким образом, для осуществления диагностирования всегда необходимо
построение в том или ином виде модели диагностируемого объекта, то есть
решение задачи идентификации.
Допустим, что функционирование реального объекта описывается соотно-
шением:
Z = F(X,K),	(4.80)
где:
•	Z - вектор наблюдаемых выходных переменных (сигналов);
•	X - вектор наблюдаемых входных переменных (сигналов);
•	V- вектор ненаблюдаемых входных переменных (сигналов);
•	F- оператор, связывающий входные и выходные переменные объекта.
Задачей идентификации является построение модели с оператором FM,
который бы в определенном смысле был близок к оператору объекта F,
то есть » F.
м
Очевидно, что связь между входными сигналами Хм и выходными сигнала-
ми ZM модели при этом описывается соотношением:
Zm = Fm(Xm) .	(4.81)
Понятие близости является условным, а тождественное совпадение опе-
раторов F и FM практически невозможно. В реальных условиях опера-
торы Fx\FM могут иметь разные области задания, вследствие этого разные
структуры, размерность и т. д.
Задача усложняется тем, что во многих случаях априорная информация об
операторе FcaMa является весьма относительной, то есть, в свою очередь,
модельной. Поэтому в процедурах идентификации близость операторов
323
Современная телеметрия в теории и на практике
F и FM оценивают обычно по реакциям объекта и модели на одно и то же
входное воздействие X. При этом:
ZM = FM(X)-	(4.82)
Для оценивания этой близости вводится скалярная функция
Y=Y(Z,ZJ,	(4.83)
удовлетворяющая следующим трем условиям:
1.	Функция является неотрицательной, то есть:
Y(Z,ZJ>O 3 Z и2«.	(4.84)
2.	Функция равна нулю, при Z=ZM, то есть:
Y(Z,ZJ = 0.	(4.85)
3.	Функция непрерывна и выпукла по обоим аргументам.
Применительно к мере у используются разные термины: функция потерь,
функция невязки, показатель адекватности модели реальному объекту, по-
казатель близости, показатель качества идентификации и т. д. В дальней-
шем в основном будет использоваться термин «показатель близости» или
«показатель качества идентификации».
Вследствие (4.82) выражение для показателя (4.83) имеет вид:
7=7[Z,FM(X )]•	(4-86)
В силу свойств показателя близости можно предположить, что эквивалент-
ность выходных сигналов объекта и модели будет достигнута при условии:
у=0.	(4.87)
Отсюда следует очевидное правило: оператор FM модели надо подбирать
таким, чтобы выполнялось условие (4.87). На практике порой приходится
удовлетворяться достижением минимума величины у. Этого в общем слу-
чае можно добиться путем реализации какого-либо алгоритма минимиза-
ции функции (4.86). Формально такую процедуру можно записать следую-
щим образом:
min ~+F'm>	(4.88)
F
гдеПг - класс (множество) допустимых операторов; F- оптимальная оцен-
ка оператора FM.
324
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Обобщенная схема системы идентификации показана на рис. 4.20. Система
предусматривает измерения входных и выходных сигналов объекта и ис-
пользование определенной априорной информации об объекте и внешних
условиях.
Априорная
информация
Рис. 4.20. Обобщенная схема идентификации
телеметрируемого объекта
Более подробная схема системы идентификации, реализующей правило (4.88),
изображена на рис. 4.21.
Рис. 4.21. Структурная схема идентификатора
телеметрируемого объекта
На рис. 4.21 через V2 и V3 обозначены помехи в каналах измерений (переда-
чи) соответственно входного X и выходного Z сигналов, через 0 - сигнал
перестройки оператора Fv модели, через Vt, - ненаблюдаемые входные
переменные объекта.
325
Современная телеметрия в теории и на практике
Можно выделить следующие основные этапы процедуры идентификации:
1)	выбор и обоснование класса (типа) моделей объекта идентификации;
2)	выбор показателя и критерия близости объекта и модели;
3)	выбор метода (принципа) идентификации и разработка соответству-
ющих алгоритмов;
4)	выбор численных методов для реализации алгоритмов идентифика-
ции;
5)	получение и соответствующая обработка данных о входных и выход-
ных сигналах объекта;
6)	выбор вычислительных средств (системы) и реализация процедуры
идентификации;
7)	анализ полученных результатов;
8)	использование полученных результатов по целевому назначению.
Теория идентификации как научная дисциплина родилась в недрах теории
управления при широком привлечении методов математической статисти-
ки. Для решения отдельных проблем теории идентификации используется
и ряд других системных и частных наук [3]. В табл. 4.1 для наглядности
представлены указанные выше этапы идентификации и соответствующие
научные дисциплины, которые служат и могут служить теоретической ба-
зой для решения конкретных задач и проблем на отдельных этапах иденти-
фикации.
Крестик на пересечении определенной строки и столбца означает, что
данный раздел науки используется или может быть использован при реа-
лизации данного этапа идентификации. Выбор и обоснование класса ма-
тематической модели объекта является важнейшим этапом процедуры
идентификации, существенно влияющим на все последующие этапы. Вы-
бор модели объекта в каждом конкретном случае производится с учетом
всей априорной информации об объекте идентификации.
Эта априорная информация может содержать данные о классе объекта
(линейный-нелинейный, стационарный-нестационарный, непрерывный-
дискретиый, наблюдаемый-ненаблюдаемый и т. д.), о порядке (размернос-
ти) уравнений, описывающих объект, и т. д. На выбор модели определенное
влияние могут оказывать и такие факторы, как целевое предназначение мо-
дели, возможности, имеющиеся в распоряжении исследователя вычисли-
тельной техники, квалификация специалистов, привлекаемых к решению
задачи идентификации, и прочие факторы, выступающие в качестве огра-
ничивающих условий.
326
327
Таблица 4.1. Теоретические основы этапов идентификации
Теоретические основы	Этапы идентификации							
	Выбор типа модели	Выбор пока- зателя и кри- терия близос- ти	Выбор метода иденти- фика- ции	Выбор чис- ленных мето- дов	Полу- чение вход- ных и выход- ных сигна- лов	Выбор ЭВМ и реали- зация	Анализ резуль- татов	Использование результатов по целевому назначению
Теория вероятностей	+	+	+		+		+	Управление
Математическая статистика	+	+	+		+		+	Прогнозирование
Теория управления	+	+	+					Диагностика
Теория подобия и моделирования	+	+					+	Контроль Распознавание образов
Теория оптимизации			+	+				
Теория чувствительности		+	+	+			+	
Программирование				+		+		
Вычислительная математика				+	+			Принятие решений при испытаниях
Теория измерения					+			Процесс познания
Теория информации					+			
Вычислительная техника						+		
Частные физико-технические науки	+	+			+		+	
Квалиметрия и теория эффективности		+				+	+	
Искусственный интеллект			+					
Современная телеметрия в теории и на практике
На этапе анализа результатов идентификации основное внимание уделяет-
ся исследованию точности и надежности (достоверности) полученных оце-
нок оператора или параметров объекта. При необходимости на этом этапе
может быть произведена проверка пригодности построенной модели к ис-
пользованию по назначению.
Если окажется, что построенная модель не удовлетворяет предъявляемым
к ней требованиям, то процедура идентификации может быть повторена
с коррекцией всех или части этапов. Например, могут быть пересмотрены
тип и структура модели, показатель близости, метод идентификации, вы-
числительные средства и т.д. В итоге построение математической модели
сведется к многошаговой (итерационной) процедуре. Схема такой итераци-
онной процедуры представлена на рис. 4.22.
Априорная информация
о модели
Априорная
информация
Рис. 4.22. Алгоритм идентификации
328
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Во многих случаях проверка пригодности сводится к проверке адекватности
модели объекту с использованием более сложного (чем при оценивании
оператора или параметров модели) показателя близости (адекватности) [4.3].
Пригодностьмоделиопределяетсятребованиями,которыезависятоттойцели,
ради которой строится данная модель. Дело в том, что в науке и технике зада-
ча идентификации является не самостоятельной, а подчиненной конкретным
целям, определяемым системой, в которой используется построенная модель.
Некоторые наиболее типовые возможные задачи, в интересах которых
идентифицируются объекты, указаны в последнем столбце таблицы 4.4: уп-
равление, прогнозирование, диагностирование, контроль, распознавание
образов, принятие решений, например, при проведении испытаний техни-
ки, процесс познания окружающего нас мира. В связи с указанным естест-
венным является рассмотрение системы идентификации в качестве подсис-
темы основной системы (суперсистемы).
Основная система характеризуется своими целями, показателями и крите-
риями эффективности (качества). Им должны быть подчинены соответс-
твующие характеристики подсистемы идентификации. Логично также ис-
следование задачи идентификации производить совместно с исследованием
основной задачи (например, управления или диагностирования). Это впол-
не соответствовало бы требованиям системного подхода. Но, к сожалению,
достаточно обоснованные методы такого подхода к проблеме идентифика-
ции в настоящее время отсутствуют.
На рис., 4.22 в блоки «Выбор модели» и «Обработка входных и выходных сиг-
налов» вводится априорная информация о модели и о входных и выходных
сигналах объекта. Эта информация характеризует степень предварительной
изученности объекта и условий его функционирования. Учитывая сложность
решения задач идентификации, трудно переоценить роль указанной априор-
ной информации при построении модели объекта. Априорная информация
оказывает существенное влияние практически на все этапы процесса иденти-
фикации. Особенно велика ее роль при выборе модели, показателей и крите-
риев близости, а также при обосновании методов идентификации.
Исследователь располагает определенными предварительными сведения-
ми об объекте и о входных и выходных (в т. ч. телеметрических) сигналах
объекта. Заметим, что отсутствие каких-либо сведений (априорной инфор-
мации) об объекте и сигналах делает бессмысленной на современном уров-
не развития кибернетики задачу построения математических моделей более
или менее сложных объектов в условиях их функционирования (пассивная
идентификация). При этих условиях исследователь имеет дело с объектом
типа «черный ящик». На практике обычно рассматриваются объекты типа
«серый ящик», о которых априори что-то известно.
329
Современная телеметрия в теории и на практике
Наиболее значимой для специалистов по идентификации является инфор-
мация о том, известна или неизвестна структура модели объекта, к какому
типу относится модель.
Структура модели характеризуется оператором FM, Поэтому под структу-
рой подразумевается вид оператора с точностью до его параметров (коэф-
фициентов). Оператор определяет фактически и тип модели.
Признаками, характеризующими тип модели, как уже было рассмотрено,
являются стохастичность модели (детерминированные и стохастические),
динамичность (динамические и статические), нелинейность по параметрам
(линейные и нелинейные по параметрам), нелинейность по переменным со-
стояния или фазовым координатам, дискретность (непрерывные и дискрет-
ные), размерность (одномерные и многомерные), распределенность пара-
метров(ссосредоточеннымипараметрамиираспределеннымипараметрами),
переменность параметров (с постоянными параметрами, с переменными
параметрами) и т. д.
В рамках известного типа модели важной может оказаться дополнительная
информация о структуре и свойствах оператора F. Например, только факт
отнесения модели к нелинейному классу существенно не упрощает задачу
идентификации, так как класс нелинейных систем чрезвычайно многообра-
зен и, можно сказать, неограничен. В связи с этим любые сведения о струк-
туре уравнений, о типе нелинейности (гладкие, разрывные, однозначные
и т.д.), о характере процессов в объекте (монотонность, автоколебатель-
ность и пр.), о свойствах линейной части и другие данные могут оказаться
весьма полезными исследователю.
В зависимости от степени изученности структуры объекта различают
структурную и параметрическую идентификацию.
Структурной идентификацией называется процесс построения модели в слу-
чае, когда априори отсутствует полная (исчерпывающая) информация о
структуре (и, естественно, о параметрах) оператора F. Синонимом понятия
«структурная идентификация» является «идентификация в широком смысле».
При идентификации в широком смысле вначале определяется структура
оператора F (к какому классу принадлежит этот оператор), затем оценива-
ются неизвестные параметры этого оператора.
Заметим, что даже структурная идентификация возможна только тогда,
когда об объекте (модели) что-то известно. Как уже было указано, отсутс-
твие всякой информации об объекте практически не позволяет построить
его модель. Так, определение порядка линейного дифференциального урав-
нения, описывающего поведение объекта, возможно только в предположе-
нии того, что объект линеен и одномерен.
330
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Сведения о линейности и одномерности и могут составить априорную ин-
формацию о модели. Конечно, в данной ситуации принципиально задача
идентификации может быть решена и при отсутствии каких бы то ни было
сведений об объекте. Для этого вначале необходимо определить размер-
ность объекта, затем проверить гипотезу о линейности и после этого оце-
нить размерность уравнения, описывающего объект с последующим оцени-
ванием параметров. Но даже для этого простейшего случая с линейным
объектом необходимо реализовать весьма трудоемкий длительный по вре-
мени процесс.
Если же идентифицируется достаточно сложный нелинейный объект, то не-
обходимость проверки огромного количества возможных описаний объекта
сведет на нет оперативность решения задачи.
Если структура оператора модели априори известна, то в процессе иденти-
фикации оцениваются только неизвестные параметры. При этом говорят о
параметрической идентификации или об идентификации в узком смысле.
При идентификации в узком смысле класс оператора F задается с точнос-
тью до параметров.
Обозначив вектор неизвестных параметров ар а2, ..., az через Ар формаль-
ную запись (4.88), условно описывающую задачу идентификации, можно
переписать в виде:
у(Гл/(Л))-> min -> Fм .	(4.89)
где - множество допустимых значений параметров Аг
В некоторых случаях процедура (4.89) приводит к линейным или нелиней-
ным алгебраическим уравнениям, неизвестными в которых являются иско-
мые параметры Аг Аналогичные уравнения в дальнейшем будем называть
уравнениями идентификации.
Рассмотренная выше априорная информация об объекте носит в основном
качественный характер. Но могут иметь место и количественные предва-
рительные данные об объекте. Пусть, нШтример, известно, что параметры
объекта с заданной структурой являются случайными величинами, кото-
рые необходимо оценить в процессе идентификации. При этом могут быть
заданы априорные законы распределения в виде функции распределения
Fa(A) или плотности распределения (рл(А) с точностью до параметров рас-
пределения. Эти законы и образуют априорную информацию об объекте.
Априорная информация о входных и выходных сигналах содержит ка-
чественные сведения о природе этих сигналов (детерминированные или
стохастические), о типе сигналов (непрерывные или дискретные), об их
331
Современная телеметрия в теории и на практике
размерности (одномерные или многомерные) и т. д. Для случайных вход-
ных и выходных сигналов могут быть известны их качественные и коли-
чественные характеристики.
Информация качественного характера касается класса случайных сигналов:
случайные величины или случайные процессы, стационарные или нестаци-
онарные, эргодические или неэргодические, марковские, полумарковские
или немарковские процессы и т. д. Информация количественного характера
содержит априорные законы распределения или числовые характеристики
входных сигналов и помех.
В отличие от априорной информации апостериорная информация обычно
имеет количественное выражение. Она представляет собой результаты из-
мерений входных и выходных сигналов объекта.
Для непрерывных сигналов и непрерывных измерений эти данные пред-
ставляют собой одну или несколько реализаций векторов X(t) и Z(t). В пер-
вом случае имеем запись:
5(z)= <X(t\Z(t)>,	Ze[/o»/i],	(4.90)
во втором случае:
< X'(t),
Z\(t ) >
Z2(t ) >
(4.91)

< Xm(.t ) Zm(t ) >
Первый случай характерен для детерминированных и случайных эргоди-
ческих процессов, второй - для неэргодических случайных процессов.
На практике, к сожалению, как правило, удается зафиксировать на интерва-
ле [t(), tj только одну реализацию векторов X(t) и Z(t).
Для дискретных сигналов или дискретных (цифровых) измерений соот-
ветственно имеем:
$(/,)= <X(fi),Z(ti)>, Z = 1(1)2V;	(4.92)
	< *>(/,),	Zy{t^>	
s(«,)=	<X2(ti)	Z2(ti)>	, i = l(T)N.	(4.93)
	< Xm(ti)	Zm(ti) >	
332
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Теория и практика построения моделей объектов показывает, что не во всех
случаях структура и параметры объекта могут быть восстановлены. Прин-
ципиальная возможность построения модели объекта на основании имею-
щейся априорной информации и данных о входных и выходных перемен-
ных характеризуется понятием идентифицируемости.
Качественные и количественные требования к процессам в системе (вход-
ные и выходные сигналы, переменные состояния), а также к структурным
характеристикам объекта и обратной связи, если рассматривается замкну-
тая система, формируют условия идентифицируемости.
К настоящему времени универсальные понятия и условия идентифици-
руемости применительно к широкому классу динамических объектов и их
моделей не существуют. Предложено и разрабатывается несколько подхо-
дов, базирующихся на идеях и методах теории управления и теории оцени-
вания. Так как методы идентификации в широком смысле (структурная
идентификация) развиты недостаточно, то в большинстве из известных
подходов структура модели предполагается известной.
Группа понятий и условий идентифицируемости, развитая на методоло-
гии теории управления, не зависит от метода идентификации и опериру-
ет результатами точных измерений входных и выходных сигналов иден-
тифицируемого объекта. Эти условия идентифицируемости аналогичны
условиям управляемости и наблюдаемости и непосредственно связаны
с ними.
Понятия управляемости и наблюдаемости относят в теории управления к
фундаментальным системным понятиям. Поэтому по аналогии с этим ука-
занные понятия и условия идентифицируемости будем называть (возмож-
но, несколько условно) системными.
Группа понятий и условий идентифицируемости, опирающаяся в основном
на теорию оценивания, связана, как правило, с рассмотрением зашумлен-
ных входных и выходных сигналов и в значительной мере зависит от вы-
бранных критерия и метода идентификации. При этом зачастую предпола-
гается также разрешимость задачи идентификации по точным измерениям
входных и выходных сигналов.
Эта группа понятий и условий идентифицируемости формулируется,
как правило, с использованием аппарата теории вероятностей и мате-
матической статистики. Более или менее завершенные исследования
проблемы идентифицируемости получены пока только для линейных
систем.
333
Современная телеметрия в теории и на практике
4.3.2. Контроль функционирования и работоспособности
ОБЪЕКТА
Схемы контроля
Схема контроля определяет алгоритм контроля и зависит от принятой мо-
дели объекта контроля. Наибольшее применение получили четыре схемы
контроля [1].
Первая схема контроля предполагает, что состояние системы определяется
совокупностью параметров. Если параметры находятся в пределах допус-
ков, то система считается работоспособной. При выходе хотя бы одного
параметра за пределы допуска система становится неработоспособной. По
этой схеме измеряются значения параметров, сравнивается с допусками
относительно номинальных значений и применяется логическая схема И.
Для удобства автоматизации контроля параметру, не вышедшему за преде-
лы допуска, присваивается признак «1», а вышедшему за него - «О». Тогда
правило оценки работоспособности будет выглядеть следующим образом:
если в результате логического умножения получается единица, то система
работоспособна, если нуль - неработоспособна.
Вторая схема предполагает, что моделью системы как объекта контроля яв-
ляется совокупность параметров, функционально связанных между собой
через показатель качества работы. Нахождение показателя качества в поле
определенного допуска относительно номинального значения обеспечива-
ет выполнение системой поставленных задач. По этой схеме производится
измерение параметров, вычисляется функционально связанный с парамет-
рами показатель качества, сравнивается со значением, соответствующим
номинальным значениям параметров.
Третья схема контроля предполагает, что показатель качества определяется
как функционал от наблюдаемых выходных сигналов реальной и идеальной
систем. Зависимость показателя качества от параметров неизвестна. По на-
блюдениям выходных сигналов реальной и идеальной систем формируется
оценка показателя качества. Далее полученная оценка сравнивается с конт-
рольными допусками и принимается решение о работоспособности системы.
Первая и вторая схемы контроля наряду с оценкой работоспособности сис-
темы обеспечивают решение задачи диагностики.
Четвертая схема осуществляет контроль функционирования системы.
По результатам измерений сигнальных или диапазонных параметров со-
ставляется индикаторная ячейка, характеризующая состояние парамет-
ров. Полученная ячейка сравнивается с контрольной ячейкой, содержа-
ние которой дает представление о действительной картине положения
датчиков при данном режиме работы системы.
334
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Контроль по параметру
На практике для простых систем контроль производится по одному или
небольшому количеству измеряемых параметров, сравниваемых с допуска-
ми [1]. Получим алгоритм принятия решения для случая одного измеряе-
мого параметра. Пусть на контролируемый параметр определены допуски
и сигнал, соответствующий его значению, имеет аддитивную структуру по-
лезного сигнала и помехи:
y(/) = x(/) + e(Z).
Сигнал y(t) распределен по нормальному закону с математическим ожида-
нием ту и дисперсией Dy. Построим правило выбора решений о нахождении
параметра в поле допуска или вне его из условия минимума вероятности
ошибочного решения. В рассматриваемой задаче возможны две гипотезы:
первая - параметр в поле допуска и вторая - параметр вне поля допуска.
Правило решения представляется отношением правдоподобия:
А( у) =
р(у)
где р(у) - апостериорная вероятность первой гипотезы.
Апостериорная вероятность нахождения параметра в поле допуска определя-
ется интегрированием по полю допуска плотности вероятности §(х/у) того,
что при полученном измерении параметра у его значение будет х, то есть
д2
р(у)= \^(x/y)dy.	(4.94)
л'
Для нормального закона распределения:
ф(х/v) = -=_exp
Vя Dy
(х-ту)г
Щ-
(4.95)
Подставляя равенство (4.95) в выражение (4.94) и выполняя интегрирова-
ние, получаем:
р(у) = Ф(Д2 - mv) - Ф(Д1 - ту ),
где Д = —, Д =--------относительные допуски;
о а
V	у
335
Современная телеметрия в теории и на практике
Отношение правдоподобия запишется теперь в виде:
ФС^-пП-ФСД’-пГ)
Л(у) = ?-А—g -1 .........£< .	(4.96)
1-Ф(Д -АНу) + Ф(Д -Шу)
Правило решения выглядит следующим образом: если Л(г/)> 1, то при-
нимается решение о нахождении параметра в поле допуска, если !\(у)< 1,
то вне поля допуска.
В формуле (4.96) т представляет апостериорное математическое ожида-
ние. Для целей контроля удобнее использовать величину априорного ма-
тематического ожидания и, соответственно, допуски отсчитывать также
от этой величины. В этом случае в поле допуска может появиться асим-
метрия относительно априорного математического ожидания. Поэтому
целесообразно ввести коэффициент асимметрии поля допуска X [1]. Он
изменяется от нуля до единицы.
При симметричном относительно априорного математического ожидания
поле допуска коэффициент асимметрии равен единице. В результате фор-
мула (4.96) запишется в новых обозначениях:
Ф(АД-Л7 ) + Ф(Д + Л7„)
Л(^) =---------------L-=_^Z_,	(4.97)
1-Ф(Хд-л/р-Ф(д+л/р
где М v = mv - m'v, Х.Д = Д2 ~т'у, & = -т'у(т'у - априорное матема-
тическое ожидание).
Вместо сравнения отношения правдоподобия ( ) с единицей можно сравни-
вать с 0,5 величину:
Л(Л7;.) = Ф(ХД-Л7^) + Ф(Д + Л7у).	(4.98)
Эквивалентность этой процедуры можно проверить делением равенства
(4.97) на_его числитель. Правило решения в этом случаеопределяется так:
если Л(Му) > 0,5, то параметр в поле допуска; если А(Л/у) < 0,5, то пара-
метр вне поля допуска.
Это правило можно упростить, переходя к непосредственному сравнению
оценки параметра с некоторым новым контрольным допуском. Величина
контрольного допуска находится из условия Л.(Му) = 0,5. Аналитически
контрольные допуски определяются решением уравнения:
Ф(ХД-Д*) + Ф(Д- ДА) = 0,5 ,	(4.99)
где ДА - контрольный допуск.
336
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Для решения практических зддач определения контрольных допусков
необходимо решить уравнение (4.99) и построить зависимость контроль-
ных допусков от абсолютного допуска и коэффициентов асимметрии. На
рис. 4.23 изображены кривые для определения относительных контроль-
ных допусков как функций относительных допусков и различных значе-
ний коэффициента асимметрии.
Рис. 4.23. Графики относительных контрольных допусков
Из рисунка следует, что при 1 контрольный допуск стремится к асимпто-
те - биссектрисе координатного угла. При значительной асимметрии поля
допуска относительный контрольный допуск становится меньше относи-
тельного допуска и поле допуска сужается.
Процедура принятия решения «параметр в поле допуска или вне его» пред-
ставляет собой процесс сравнения оценки параметра с контрольными до-
пусками. Принимается решение «параметр в поле допуска», если его оценка
лежит внутри контрольных допусков, и «параметр вне поля допуска», если
оценка находится вне контрольных допусков.
Данная процедура принятия решения обеспечивает минимум вероятности
ошибочных решений. Если работоспособность системы определяется не-
сколькими параметрами, то принятие решения о годности системы произ-
водится по описанной схеме.
Контроль по показателю качества
Для контроля состояния системы по показателю качества необходимо по-
лучить его оптимальную оценку. Примем за показатель качества работы
337
Современная телеметрия в теории и на практике
системы минимум среднего квадрата ошибки отклонения полученного
показателя качества от его требуемого значения. Согласно принятому
критерию выражение для определения оптимальной оценки можно запи-
сать в виде:
б‘ =	(4.100)
-00
где интегрирование производится / раз по всем параметрам.
Для расчета показателя качества примем зависимость его от параметров
первой группы, то есть:
еЛ=ГР,(Ь <4101>
/=|
и от параметров второй группы:
22(Ь = Со + Яг£ + К±	(4.102)
При независимых параметрах первой группы оптимальная оценка показа-
теля качества согласно формуле (4.100):
СГ=П р,(^)Ф(^/^)^-	(4.103)
/ = 1 —ОС
В силу свойств характеристической функции имеем:
&’=П	(4.104)
/=1
При высокой точности измерения апостериорная плотность вероятностей
ф(^ / X ) близка к нормальному закону с математическим ожиданием
и дисперсией D:
( 1
ф(У/Аг) = -г=—е го‘ .	(4.105)
Подставив это равенство в выражение (4.104) и вычислив интеграл, полу-
чим:
где:
а'=п[ф(л'г|-Ь--ф(л!'’
(4.106)
(4.107)
J •=)
338
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Для параметров второй группы оценка показателя качества будет:
% Ь ( .(	1
Вычисление оценки показателя качества по этой формуле дает следующий
результат:
Q1 = 0о + Вт^ + f	+ trCK,
(4.109)
где К - матрица корреляционных моментов параметров.
Так как параметры первой и второй групп не зависят друг от друга, общая
формула для оптимальной оценки показателя качества будет иметь вид:
Q* = П А(£)Гбо+^4+^cfi + trCK
(4.110)
Выражение (4.110) показывает, что если все параметры первой группы на-
ходятся в пределах допуска, то Q* = 1 и показатель качества определяется
только параметрами второй группы. Если хотя бы один параметр первой
группы выходит за пределы допуска, то Q*= 0 и показатель качества всей
системы также равен нулю.
Таким образом, численное значение оценки показателя качества определя-
ется параметрами второй группы. Отклонение показателя качества от его
значения при номинальных значениях параметров определится по формуле:
Q * -Qo. = BTl+ frcfi + trCK.
(4.1И)
В этой формуле значения элементов вектора К и элементов матрицы Y
определяются по результатам измерений параметров. Если полученное от-
клонение оценки показателя качества не выходит за пределы допустимого
значения, то система считается работоспособной.
Измерение параметров сопровождается погрешностями, поэтому процеду-
ра принятия решения должна выполняться так, чтобы ошибки были мини-
мальными. Получим правило решения, минимизирующее полную вероят-
ность ошибки [1].
Условный риск при принятии решения выражается формулой:
г(Г,^)=	(4.112)
где l(Y\YT) - функция потерь; ф/д/X) - условная плотность вероятнос-
ти того, что при фиксированном значении параметра X показатель качества
равен q ; ф2 (YT / q) - условная плотность вероятности требуемого показа-
теля качества при фиксированном его значении.
339
Современная телеметрия в теории и на практике
Возможны четыре ситуации: правильные решения «годен», «не годен» и не-
правильные решения «не годен» при работоспособной системе и «годен»
при неработоспособной системе. Согласно этим ситуациям функция потерь
запишется матрицей:

1
о
где единица означает неправильное решение, а нуль - правильное.
Условная плотность вероятности ф2(^г /#) характеризует закон требуемо-
го преобразования. В данном случае требуемое преобразование не случайно
и характеризуется принятием решения «годен», если Q*> Qp и «не годен»,
если Q*< Qr Поэтому плотность вероятности ф2(^г /tf) имеет вид дельта-
функции:
Ф2(^/^) = 8(^-Ь.	(4.ИЗ)
При принятых предположениях условный риск можно записать в виде:
00	Qt
r(Y,X) = \<^(qlX)dq + \^(q/X)dq.	(4.114)
Qt
Оптимальное решение дает следующее правило:
оо	QT
j<pt(q/X)dq (годен)
Q?	00
(4.П5)
оо	Qt
J<pt(<y/X)dq< ^ty'(qlX)dq (негоден)
Qt	00
Введя отношение правдоподобия:
оо
f(p,(q/X)dq
A=f-------------,	(4.116)
f<p,(q/X)4q
запишем алгоритм принятия решений в виде:
А>1 - система работоспособна;
А<1 - система неработоспособна.
340
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
При достаточно высокой точности определения оценки показателя качества
апостериорная плотность вероятности близка к усеченному нормальному
закону с условным математическим ожиданием A/= Q и дисперсией £>с:
VW Х) = -г=-еХР
d2nDQ
(q~Q)2
2Dq
<p(q/X) = 0 при Q*>\ и Q*<0,
где k - нормирующий множитель:
к= faq/X)dq
(4.118)
Подставив выражения плотности вероятности в отношение правдоподобия
и вычислив интегралы, получим:
-Ф
(4.119)
+ Ф
Алгоритм принятия решения при контроле заключается в вычислении
оптимальной оценки показателя качества Q* и отношения правдоподо-
бия и сравнении его с единицей.
Контроль функционирования систем
Контроль функционирования систем состоит в проверке правильности вы-
полнения программы работы данной системы [1]. Предварительно на осно-
вании программы работы системы составляется модель системы. Модель
системы представляет собой матрицу состояний блоков системы при вы-
полнении той или иной операции согласно программе работы. Число стол-
бцов матрицы равно количеству блоков системы, а число строк - числу за-
планированных операций.
Каждый элемент матрицы представляется нулем или единицей. Единица
соответствует включенному состоянию, а нуль - выключенному. Номер
строки есть код операции. Сформированная матрица хранится в запоми-
нающем устройстве автоматизированного комплекса обработки информа-
ции. Выполнение запланированных операций производится по командам,
вырабатываемым датчиком команд. Команда представляется кодом выпол-
няемой операции.
341
Современная телеметрия в теории и на практике
В соответствии с программой работы системы датчиком команд подаются
команды для выполнения системой запланированных операций. Эта же ко-
манда подается в устройство памяти комплекса, где по ее коду выбирается
соответствующая строка матрицы. Выбранная строка представляет собой
модель системы при выполненной команде. По команде система выполняет
предусмотренную операцию. Система контроля производит измерение па-
раметров контролируемой системы.
Состояние системы контролируется сигнальными и диапазонными пара-
метрами. По результатам контроля в ЭВМ комплекса формируется образ
состояния системы. Затем производится сравнение полученного образа
с выбранной строкой матрицы (моделью). При совпадении модели и по-
лученного образа делается заключение о нормальном функционировании
системы. При несовпадении хотя бы одного элемента образа делается за-
ключение о ненормальном функционировании системы. Сравнение моде-
ли с образом и заключение о функционировании системы осуществляется
по соответствующим алгоритмам [1].
Контроль работоспособности с помощью алгоритмов обучения
Задача контроля работоспособности систем может трактоваться как зада-
ча опознавания состояния системы. Для ее решения система опознавания
(ЭВМ автоматизированного комплекса обработки информации) сначала
проходит обучение. Обучение производится посредством показа ей обра-
зов, принадлежность которых к тому или иному классу известна.
Геометрически задача обучения состоит в построении такой поверхности,
которая в каком-либо смысле лучше всего разделяла бы многомерное про-
странство образов на различимые классы. В алгебраической постановке
задача обучения состоит в построении некоторой разделяющей функции
по показам образов и указаниям, к какому классу они принадлежат [1].
Применительно к задачам контроля работоспособности обучение будет со-
стоять в предъявлении значений параметров и указании, какому состоянию
системы они соответствуют. Задача обучения сводится к построению такой
гиперплоскости или разделяющей функции, которая разделяла бы про-
странство параметров на классы.
Представим разделяющую функцию в виде:
Лу) = 1Л¥,Си)А0,	(4-120)
/=1
где X - весовые коэффициенты; y.fy) - действительные однозначные функции,
не зависимые от весов X; d - число составляющих разделяющей функции.
342
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Задача обучения состоит в построении такой разделяющей функции, чтобы
/(j)>0, если у принадлежит q-классу;
/(у)<0, если у не принадлежит q-классу;
Построение разделяющей функции при заданных функциях у.(у) сводится
к нахождению некоторой системы весовых коэффициентов X., удовлетво-
ряющих условию данной разделяющей функции. По виду функции у(у)
различают алгоритмы обучения..
Метод разделяющей гиперплоскости. Пусть функции \|г(у) заданы в виде
4/i(y)=yil>- В этом случае разделяющая функция представляет собой гиперп-
лоскость и ее уравнение на основании выражения (4.120) будет:
/(y) = ZV,+^o-	(4-121)
/=!
При построении алгоритма распознавания ограничимся случаем, когда со-
стояние системы характеризуется двумя классами: «годен», «не годен».
Этот случай называют дихотомией. Для обучения имеем обучающую вы-
борку измерений объемом Vo6, которая состоит из выборки V1 объемом 1Г
относящейся к классу «годен», и выборки V2 объемом 12 относящейся к классу
«не годен», то есть:
^=W/( V,e "годен"
,	'	.	(4.122)
v2 = {Л }/2 Ч е "не г°Ден"
Выборки V1 и V2 являются линейно-разделимыми, то есть существует такой
разделяющий вектор X, что удовлетворяются условия:
(П)>0 для yseV,(s = \,2,-,l\\
/4 123)
(УХ)<0 для уъ g V2 (5 = 1,2,...,/2),
где (Yk) - скалярное произведение векторов.
Геометрически решение задачи обучения будет выглядеть следующим обра-
зом. Имеем два раздельных состояния и V2. Линия АВ - линия, разделя-
ющая эти состояния. Выберем начало координат в точке 0 (рис. 4.24).
Разделяющий вектор направлен вдоль линии АВ. Отобразим область па-
раметров выборки V2 симметрично началу координат. В результате этого по-
лучим объединенную выборку V\ v V2. При (УХ)>0 объединенная область
Vo6 лежит по одну сторону плоскости (прямая АВ), а при (Yk)<0 -по другую.
При появлении первого измерения уг строится плоскость f(y)= (Yk) =0 с
направляющим вектором уг
343
Современная телеметрия в теории и на практике
В3
Рис. 4.24. Схема построения разделяющей
гиперплоскости
На рис. 4.24 это соответствует линии А1В1. Если измерение следующего
параметра попадает в полупространство, куда направлен вектор у v то по-
ложение линии А1В1 остается неизменным. При попадании измерения па-
раметра в противоположное полупространство производим исправление
положения линии А1ВГ Для этого векторы у1 и у2 суммируем и для суммар-
ного вектора определяем такой вектор чтобы их скалярное произведение
равнялось нулю, то есть производим поворот линии А1ВГ В такой последо-
вательности продолжается обучение до построения разделяющей плоскос-
ти (линия АВ) [4.1].
Математически алгоритм обучения заключается в предъявлении значения
параметров и изменении весовых коэффициентов на (k+1)-M шаге по сле-
дующим правилам:

(Л+Л)>° и Л+1 еГ,;
(л+Л)<° и ук+х еГ2,
К+' -скум, если (,ул+Д J > О, а ук+, еК2;к
k*+i = К+скУк^ еы™(ук+М<$, а ум еГ,,
(4.124)
где Ck - числа, которые выбираются из условия быстрой сходимости про-
цесса обучения.
344
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Качество обучения оценивается следующими-критериями:
• отношением числа правильно классифицируемых изображений к об-
щему числу обучающих изображений т|(;
суммой квадратов расстояний от разделяющей гиперплоскости до не-
правильно опознанных изображений:
(4.125)
Первый критерий полностью характеризует качество разделения, но неудо-
бен для целей оптимизации. Второй критерий дает возможность оптимизи-
ровать процесс обучения. Оптимизация в алгоритме обучения производится
градиентным методом. Итерационная процедура определения составляю-
щих вектора X ЭВМ комплекса обработки осуществляется по правилам:
Ъ+i = К +скУм = gradr\2(k),
скУк+\ =
ск-\Ук ПРИ n2(^)<rl2(Vi)
^-Ук при T|2(M^n2(Vi)
Процесс определения составляющих вектора X заканчивается при выполне-
нии одного из условий:
(4.126)
Г|2 =0 или |gradr|2(X)|<£,,
(4.127)
где &>0.
Достоинствами метода являются простота алгоритма контроля и относи-
тельно высокое быстродействие.
В качестве недостатка следует отметить принципиальную невозможность
разделения состояний, занимающих некомпактные области в пространстве
измерений параметров.
Машинная реализация описанного алгоритма представляется следующим
порядком действий. Оператор вводит в машину вектор измерений Yr а так-
же число а=+1, указывающее, к какому состоянию системы относится Y1
(а1 = +1 для V1 и а = - У для V2). Компьютер вычисляет вектор коэффициен-
тов X из условия (Y1
Затем оператор вводит следующий вектор Y2, который умножается на
Если (Y2 ^^>0, то исправлений вектора не производится и Y2 забывается.
345
Современная телеметрия в теории и на практике
Если окажется, что (Y2 ^^<0, то, значит, появилась ошибка и производится
вычисление величины Х2 по формуле (4.124). В этом случае значения Y2X2
и а2 запоминаются [1].
В такой последовательности следует производить определение тех значе-
ний X, которые разделяют состояния V1 и V2.
Рассмотрим k-и шаг алгоритма. К этому шагу в памяти машины хранятся
все значения Yt(i = 1,/), показанные до этого шага и требовавшие исправ-
лений ошибок, числа а1,а2,...,а1, указывающие своим знаком, к какому со-
стоянию относятся У., а также значения коэффициентов т|2, вычисленные
по формуле (4.125). При предъявлении на (k+1)-M шаге значения Yk+1 вы-
числяются Х/+/ по формуле (4.126) и grad т|2, производится его сравнение с
заданным значением е. При выполнении одного из условий (4.127) процесс
обучения заканчивается. Если это условие не выполняется, процесс обуче-
ния продолжается. Полученные в результате обучения величины X хранят-
ся в памяти компьютера.
Контроль работоспособности состоит в вычислении скалярного произведе-
ния векторов полученных значений параметров У и коэффициентов X с по-
следующей проверкой условия разделяющей функции.
В методе потенциальных функций в качестве действительных функций
(4.120) используются функции двух переменных <|/(г/,г/*/ где у, х - точки
из пространства состояний системы [1]. Если зафиксировать точку х, по-
ложив х=г/*, то функция \у(у, у*) станет функцией точки пространства и
будет зависеть от того, как выбрана точка г/*. В физике такой функцией яв-
ляется потенциал. По аналогии функцию \ц(у, х) называют потенциальной
функцией. Для целей контроля работоспособности удобно представить
функцию у (у, х) в виде функции расстояния между точками у и х. В качес-
тве такой функции могут быть использованы функции:
1	-Га/Л1 2
Ж(ЬУ*) =------,	W(y,y*) = e (и = 1,2).	(4.128)
1 + Х«/Л2
/=1
Выбранная функция у (у, у*) определяет поверхность над точками про-
странства состояний. Рассмотрим, как можно решить задачу распознавания
состояний, используя потенциальные функции. Идея метода состоит в сле-
дующем. Надо научиться по значениям параметров определять состояние
системы «годен», «не годен».
Условно эти состояния назовем классами Л и В. Предположим, что предъ-
явлено значение параметра у и сообщено, что оно принадлежит классу А.
Примем точку в пространстве состояний, соответствующую данному значе-
нию, за источник потенциала, положив и построим «холм» (рис. 4.25)
с вершиной в этой точке.
346
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Запомним, что этот холм принадлежит точке класса А. При предъявлении
следующих значений параметров ys из класса А или В каждый раз строятся
подобные «холмы» с вершинами в точках, соответствующих предъявлен-
ным значениям параметров, и запоминается, к какому классу эти холмы
принадлежат. По окончании процесса обучения складываются отдельно
потенциалы точек класса А и точек класса В, то есть:
4^00= 2л (ь у*)
у, еА
и	(4.129)
Ve00= 2л0',у*)-
Функции \ул(у) и ув(у) называются потенциалами классов Ап В.
После обучения начинается «экзамен». Теперь предъявляются значения па-
раметров и требуется дать ответ, к какому классу они относятся. В методе
потенциальных функций предлагается относить предъявленное значение
параметра yi к классу Л, если:
(4.130)
и к классу В при обратном знаке неравенства.
Описанная процедура далеко не всегда приводит к успеху, так как среди
предъявляемых точек пространства состояний системы классы АиВ могут
быть представлены неравномерно. Если, например, число точек класса А
будет больше числа точек класса В, то это приведет к неправильно постро-
енной разделяющей поверхности.
347
Современная телеметрия в теории и на практике
Для того, чтобы обойти это затруднение, в методе потенциальных функ-
ций строится разделяющая функция f(y). Способ построения разделяющей
функции характеризуется следующей рекуррентной процедурой:
Л+1(т) = Л(т)+^(ьл+1)-
(4.131)
где г - некоторая числовая последовательность; k - номер приближения.
Разделяющая функция f(y) принимает положительные значения в точках,
соответствующих классу Л, и отрицательные значения в точках, соответс-
твующих классу В.
В качестве нулевого приближения может быть использована любая функ-
ция с произвольными коэффициентами, сумма квадратов которых меньше
бесконечности. Этому условию удовлетворяет функция fo(y)=O.
Выбор числовой последовательности на (k+1)-M шаге алгоритма в формуле
(4.131) определяется по следующим правилам:
О, если /Д^+1)>0 и ум еЛ;
О, если Л(л+1)<° и Л+>
+ 1, если /*(л+1)<0» а Ум
-1, если /Д^+1)>0, а ум еВ.
(4.132)
Здесь yk+1 - значение параметра, предъявленное на f^+7/м шаге обучения,
fk(yk+1) ~ k-e приближение разделяющей функции, построенное к (^+У)-му
шагу.
Данный алгоритм приводит к точному разделению классов А и В для каж-
дой конкретной задачи за конечное число шагов.
Процесс обучения заканчивается, если после очередного исправления ошиб-
ки следующие за ним подряд / отказов не приводят к новому исправлению
ошибки. Число / зависит от числа 5 имевшихся ранее исправлений ошибок
и определяется по формуле:
/ = /0 + S,
(4.133)
где 10 - наперед заданное число.
Число 10 определяется по формуле:
где 8 - вероятность попадания значений параметра в неправильно разде-
ленные части классов А и В (ошибка первого рода); е - вероятность ошибки
при экзамене (ошибка второго рода).
348
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Машинную реализацию алгоритма можно пояснить следующей схемой.
Оператор вводит первое значение параметра уг и строится первое прибли-
жение разделяющей функции по формуле:
(4.135)
fly) ='
y(^,^i), если У1 е
-у(у,у,), если ух&В
При предъявлении второго значения параметра^ строится второе прибли-
жение:
/2 О') = Z О') + ГМ (Л У 2) = Z W О', У,-) •	(4-136)
Если f2(y)>0 и у2 е А (или/2(у)<0 и уг <= В), то значение у2 забывается
и рассматривается следующий показ. Если же/2(у)>0и у2 Е В (nnnf2(y)<0
и у2 G А то значение у2 запоминается с числом а2=+1, указывающим,
к какому классу это значение относится.
Рассмотрим k-и шаг алгоритма. К этому шагу в памяти машины хранятся
значения y/i = 1,7), показанные в процессе обучения до этого шага, для
которых требовалось исправление ошибки, а также числа ага2,...,ар которые
указывают, к какому классу принадлежат эти значения. При появлении на
k-м шаге нового значения ук машина вычисляет величины y(yk, у), i — 1,1
и сумму:
Ш =	<4.137)
/=1
Если fk(y)>0 и yk е А (или fk(y)<0 и ук G 5), то результаты вычислений
и значение yk забываются и рассматривается следующий показ. Если же
fk(y)>0, а ук G В (или /к(у)<0 и ук G А), то в память машины заносят-
ся значение yk и число ak> указывающее, к какому классу принадлежит yk.
Таким образом, к концу каждого шага (а значит, и к концу всего процесса
обучения) в памяти машины хранятся наборы y.(i = 1,/) и аР Значения по-
тенциальных функций у (у, у.) и функций fk(y) не хранятся в памяти. Они
вычисляются каждый раз при новом показе или контроле. Процесс обуче-
ния заканчивается, если подряд / раз не совершаются ошибки.
При контроле с появлением значений параметров у вычисляется функция:
к
/(y) = Sw(bZ)-	(4.138)
/=1
Если f(y)>0, то система находится в состоянии, соответствующем классу Л.
Если же f(y)<0, то система принадлежит классу В [1].
349
Современная телеметрия в теории и на практике
Классификация методов распознавания технических состояний объекта
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Возможные методы распознавания технических состояний объекта могут
быть классифицированы с позиций теории распознавания образов и с пози-
ций технической диагностики. Однако могут быть выделены общие призна-
ки классификации, применяемые в каждом из указанных научных направ-
лений. Здесь мы остановимся именно на таких признаках [3].
По характеру и объему используемой информации все методы распознава-
ния технических состояний объекта делятся на две большие группы: детер-
минированные и статистические (последние иногда называют вероятност-
ными методами).
Детерминированные методы базируются на математическом аппарате,
не использующем в явном виде вероятностные характеристики изучаемых
классов состояний объекта. Обычно при детерминированных методах реше-
ние о принадлежности распознаваемого изображения одному из классов
принимается по результатам вычисления некоторой функции расстояния
от этого изображения до эталонных изображений классов в пространстве
измеряемых признаков.
Поскольку за основу построения классифицирующего правила при этом
берется некоторая мера расстояний между векторами - точками метричес-
кого пространства, то эти методы распознавания называют метрическими.
В качестве метрики используется евклидово расстояние между векторами.
Для оценки близости векторов могут быть использованы и другие по-
казатели, так или иначе зависящие от расстояния (скалярное произведение
векторов, косинус угла или коэффициент корреляции между векторами,
расстояние Махаланобиса и т. п.).
К группе детерминированных методов относятся также метод потенциаль-
ных функций, метод кластеризации, различные логические методы и много
других.
Главное достоинство детерминированных методов - простота их алгорит-
мической и технической реализации. Они применяются в основном тогда,
когда по доступной для анализа информации точно устанавливаются грани-
цы областей, соответствующих разным классам, причем эти области не пе-
ресекаются между собой, а значит, между ними могут быть построены разде-
ляющие гиперплоскости. Однако при соответствующем выборе признаков
эти методы могут быть использованы также и в тех случаях, когда области
классов представляют собой пересекающиеся множества изображений.
Статистические методы основаны на математических правилах классифи-
кации, которые формулируются и выводятся в терминах математической
350
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
статистики. В большинстве своем эти методы сводятся к построению клас-
сифицирующего правила, обеспечивающего в среднем наименьшую веро-
ятность ошибочного решения при распознавании или наименьшее значе-
ние некоторой функции потерь.
В качестве исходных данных для построения классифицирующего правила
используются априорные вероятности классов состояний объекта и плот-
ности распределения признаков внутри классов, а также стоимости приня-
тия решений при распознавании. Оценка плотностей - основная проблема
применения статистических методов распознавания. Среди методов этой
группы наиболее распространенным является байесовский метод постро-
ения классифицирующего правила на основе элементарной теории статис-
тических решений. Среди других методов этой группы следует выделить
последовательный (метод последовательной проверки гипотез) и мини-
максный (игровой) методы.
Основное преимущество статистических методов распознавания заключа-
ется в возможности непосредственного использования диагностических
признаков различной физической природы, поскольку в расчетных форму-
лах фигурируют не значения этих признаков, а вероятности их появления
в различных классах состояний объекта.
При построении решающих правил, минимизирующих средние потери
при распознавании, в ряде случаев достаточно, если для каждого класса вы-
числена некоторая вероятностная мера (например, вероятность появления
состояний данного класса). Однако при этом требуется задание показате-
лей, характеризующих затраты на выполнение каждого шага распознающей
процедуры (например, затраты временных или материальных ресурсов).
В настоящее время развивается несколько подходов к распознаванию,
использующих аппарат теории нейронных сетей, генетических алгорит-
мов, понятия теории формальных языков.
С позиций технической диагностики распознавание состояний объекта мо-
жет быть функциональным и тестовым. Напомним, что функциональное
распознавание технического состояния объекта заключается в выполнении
ряда проверок выходных сигналов (параметров) в выбранных контрольных
точках объекта при поступлении на его вход только рабочих воздействий,
то есть в условиях пассивного эксперимента. При тестовом распознавании
на объект подаются специальные тестовые воздействия, то есть осуществля-
ется активный эксперимент.
Методы функционального распознавания в основном используются для
контроля правильности функционирования объекта. Для распознавания
отказов широко используются методы обеих групп, причем процесс обу-
чения осуществляется, как правило, в условиях активного эксперимента,
351
Современная телеметрия в теории и на практике
а процессы непосредственного распознавания и самообучения - в услови-
ях пассивного эксперимента.
В зависимости от порядка выполнения проверок различают методы комби-
национного (параллельного) и последовательного распознавания (как тот,
так и другой метод может быть детерминированным или статистическим).
При комбинационном распознавании классифицирующее правило строит-
ся на основе анализа результатов всех проверок из заданного множества.
При этом проверки могут выполняться в произвольном порядке.
При последовательном распознавании соблюдается некоторая очередность
выполнения проверок. Совокупность правил, определяющих состав прове-
рок и последовательность их выполнения в процессе распознавания, назы-
вается программой распознавания (диагностирования). Последняя может
быть безусловной (жесткой) и условной (гибкой).
При распознавании отказов по жесткой программе очередность выполне-
ния проверок задается заранее и остается неизменной в течение всего про-
цесса распознавания. При использовании же гибкой программы каждая
последующая проверка выбирается в зависимости от .результатов предшес-
твующих, уже выполненных проверок. При этом для распознавания каждо-
го из технических состояний объекта предусматривается своя очередность
выполнения проверок. Программа может быть представлена в виде словес-
ной инструкции, таблицы, графа и т.п.
В основу детерминированного подхода к распознаванию технических со-
стояний объекта кладется принцип сравнительной оценки степени сход-
ства распознаваемого изображения с изображениями классов из заданного
алфавита. Такая оценка осуществляется с помощью функций расстояния.
Рассмотрим т классов (т технических состояний), для которых в процессе
обучения получены изображения enV...,enm. Пусть в результате выполнения п
проверок л., (j = 1,..., п) получено изображение распознаваемого состояния
объекта:
где признаки $, (j = 1,..., п) есть исходы соответствующих проверок, то есть
5. = Л..
J J
Мерой сходства изображения У с изображением eni каждого класса может
служить евклидово расстояние р., (isl,..., гп), которое определяется по сле-
дующей формуле:
р, = р(У„, e„i)=	>	(4.139)
V 7=1
где г.. - компоненты вектора епГ
352
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Классифицирующее правило, реализующее принцип минимума расстояния,
заключается в вычислении расстояния pz, отделяющего распознаваемое
изображение У от изображения eni каждого класса, и зачислении изображе-
ния У в класс, оказавшийся ближайшим к нему, то есть:
У„еУ/’ если Р^Р/ Vz’ z'*/’ f =	(4.140)
Классифицирующее правило может быть записано и в другой эквивалент-
ной форме:
У„еУесли р -min рi =	(4.141)
Формулу (4.139) можно представить в более удобном виде:
p^(y.-e.,,)r(r.-e,>y.ry.-2(y.e,,,--|eLe,,,) <4-142)
Выбор минимального значения р.2 эквивалентен выбору минимального
р., так как при всех i= l,...,m р.>0 (по определению расстояния). Формула
(4.142) показывает, что выбор минимального значения р.2 эквивалентен
z	TZr 1 т
выбору максимальногодзначения разности Y Р-Р Р ., так как член
т J	'	L	J. n^ni V' nt
Yn Yn не зависит от значения i и будет одинаковым 4фи вычислении всех
значений р.2 (i = 1,..., m). Следовательно, классифицирующее правило при
распознавании изображения У будет иметь вид
У„еУ,’ если <7,(У„)=тах J,z(yj’ / =	(4.143)
где решающая функция d.(Yn) определяется выражением:
d{Y>YT.e.r\e..e.,
Для того, чтобы функция б/.(У) сохраняла в себе свойства расстояния, необ-
ходимо, чтобы она была неотрицательной, то есть чтобы выполнялось нера-
т 1г
венство YnCni > ~втвт ’ пРичем однозначное решение о принадлежности
изображения У к i-му классу может быть принято тогда, когда это неравенс-
тво строгое.
Решающую функцию (4.144) можно записать в виде скалярного произве-
дения так называемых пополненных изображений У+1 и еп+и, которые от-
личаются от соответствующих им изображений У и eni тем, что содержат
дополнительные компоненты $п+1 и г+1 соответственно, то есть:
=^,rn,...,rb„rin+{}T,
12 Зак. 861
353
Современная телеметрия в теории и на практике
причём 5л+| = 1; riy„+| = --У Sfi
и+1
7=1
Тогда вместо выражения (4.144) имеем:
и+1
(Пл+1>)	’
;=1
Поскольку одна и та же величина вводится в изображения всех распозна-
ваемых состояний, основные геометрические свойства соответствующих
классов не изменяются, а значит, не изменяются и условия разделения
их гиперплоскостями. По этой причине в выражении (4.144) второй член
в правой части может быть опущен. Решающая функция, характеризую-
щая сходство изображений Y<n> и е<п>., будет определяться в этом случае
их скалярным произведением, то есть:
п
= (Y<n>,e<n>i) =	(4145)
7=1
и в таком виде войдет в классифицирующее правило (4.143). Использова-
ние решающей функции (4.145) вместо функции (4.144) не приведет в силу
указанной выше причины к ухудшению качества распознавания. Этот вы-
вод хорошо согласуется с упомянутой теоремой отделимости.
Использование скалярного произведения распознаваемого и эталонного
изображений в качестве меры их близости (сходства) является наиболее
распространенным при реализации детерминированного подхода к распо-
знаванию состояний объекта.
Обусловлено это тем, что такая мера легко вычисляется, имеет ясный фи-
зический смысл и является достаточно универсальной. Она применима
при любых формах представления признаков, лишь бы они были вещест-
венными числами. Скалярное произведение непосредственно оценивает
степень совпадения соответствующих координат сравниваемых изображе-
ний: чем ближе они друг к другу, тем оно больше, и при полном их совпаде-
нии оно будет максимальным.
Существуют и другие способы оценки степени сходства распознаваемого
изображения с описаниями классов и, соответственно, другие формы клас-
сифицирующего правила. Однако все они вписываются в рамки рассмот-
ренной схемы распознавания. Во всех случаях информация о текущем со-
стоянии объекта получается за счет выполнения проверок л. из заданного
множества П. В результате выполнения каждой проверки я ( j = 1, п ) полу-
чается признак s., а после выполнения всех п проверок - изображение состо-
яния объекта в виде вектора Y<n> = (Sj,...,sw)r. Процедура распознавания
354
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
реализуется по однотипной схеме при любых формах признаков: определя-
ется степень сходства каждого признака s. с соответствующими признаками
г технических состояний e<n>i диагностируемого объекта (i = 1, тп ).
Результаты сопоставления всех признаков $.( j = \,п ) с соответствующими
признаками г.. кладутся в основу выработки решения о принадлежности со-
стояния объекта определенному классу согласно принятому классифици-
рующему правилу. Операция сопоставления признака $. с признаком г
обычно рассматривается как неотъемлемая часть проверки л.. При этом
безразлично, в какой последовательности выполняются проверки (они мо-
гут выполняться и одновременно, если это позволяют технические сред-
ства), так как решение о принадлежности состояния объекта определенно-
му классу принимается после выполнения всех проверок.
Общей основой всех методов статистического подхода является аппарат
теории статистических решений. Различие в методах сводится в основном
к различию критериев, используемых при выработке решений. В приклад-
ных задачах распознавания наиболее часто используется критерий Байеса
- правило, в соответствии с которым стратегия решений выбирается так,
чтобы обеспечить минимум средних потерь.-
Критерий Байеса может быть представлен в различных формах. В ряде оп-
ределений критерий Байеса рассматривается как один из возможных крите-
риев для получения оптимальных оценок идентифицируемых параметров.
Сохраняя принятые обозначения и терминологию, мы вместе с тем введем
ряд дополнительных обозначений и понятий, связанных главным образом
со спецификой задачи распознавания технического состояния диагности-
руемого объекта.
Пусть, как и прежде, задано т технических состояний е<п>., в одном из ко-
торых может находиться объект. Распознаваемое состояние объекта описы-
вается изображением (4.139), полученным в результате выполнения п про-
верок (у = 1,п ). Требуется определить, с каким из заданных технических
состояний е<п>/. может быть идентифицировано распознаваемое состояние
объекта, то есть найти класс, к которому принадлежит изображение У<л>.
Вероятность принадлежности изображения г-му классу обозначается как
P(e/Y). Если при распознавании принимается решение о том, что изобра-
жение Y<n> принадлежит £-му классу, когда на самом деле оно принадлежит
i-му классу, то допускается ошибка, которая влечет за собой определенные
потери Cjh.
Предположим, для всех i,к = \,т определены значения потерь C.k, которые
в совокупности образуют матрицу потерь, или так называемую платежную
матрицу - квадратную матрицу порядка т, диагональные элементы которой
355
Современная телеметрия в теории и на практике
соответствуют правильным решениям при распознавании. Так как распо-
знаваемое изображение может принадлежать любому из m классов, то ма-
тематическое ожидание потерь, связанных с отнесением изображения У<я>
к k-му классу, определяется следующим выражением:
т	___
№/Г) = йт = £сЛ/Г), А = 1.т.	(4146)
(=1
В теории статистических решений величину Q* называют условным сред-
ним риском или условными средними потерями. Распознаваемое изобра-
жение относится к тому k-ълу классу, для которого величина риска Q* будет
минимальной, то есть классифицирующее правило записывается в следую-
щем виде:
к,, st если е,(Г) = тах,.с;{{й(Г)>.	(4.147)
Стратегию, основанную на этом правиле, называют байесовской стратегией,
а минимальный средний риск - байесовским риском.
Условную вероятность в выражении (4.146) можем определить по формуле
Байеса:
Р(е,/Г) = ^№-> 1=^.	(4.148)
Р(У)
где:
т
P(Y) = '^p(e/)p(Y/e/),
с учетом которой имеем:
1 т	___
*=1>т- <4'149)
) /=!
Условную вероятность P(Y/e) в формуле (4.149) называют функцией прав-
доподобия для г-го класса. Так как выражение 1/P(Y) входит во все форму-
лы вычисления условного среднего риска Qk(y), где к - 1,т, в качестве об-
щего множителя, то его можно исключить из соотношения (4.149), то есть
записать:
а (К) = £с,,Р(е,.)Р(У/е,.), к = 1,т.	(4.150)
/=1
В частном случае, когда рассматриваются только два технических состоя-
ния объекта е<п>1 и е<п>2 (например, работоспособное и неработоспособное),
356
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
величины условных рисков, связанных с определением каждого из них,
вычисляются по формулам:
0 (Г) = С| ,Р<е, )P(Y/е,) + с„Р(е, )P(Y / е,);
Q2(Y) = cl2P(et)P(Y / е2) +c22P(e2)P(Y / е2)
При этом считается, что объект находится в техническом состоянии е<п>1,
если Q/('K)<Q2('K), то есть:
(с21 -с22)Р(е2)Р(У/е2) < (с12 -с11)Р(е1)Р(У/е,).	(4.151)
Обычно полагают, что потери, связанные с ошибочным решением при рас-
познавании, всегда больше потерь, которые имеют место при правильной
классификации, то есть cik>cu для любых i,k = 1,т; Ыг. При таком допуще-
нии условие (4.151) может быть записано в следующем виде:
Р(У/е,) Р(е2)(с2,-с22)
Р(У/е2) P(e,)(Cl2-Cll)’
(4.152)
Левую часть этого неравенства называют отношением правдоподобия:
мг<я>)=
/У/е,)
Р(У/е2)’
(4.153)
а правую часть - пороговым значением отношения правдоподобия:
(4.154)
д (Y \ _ ^°(е2)(С21	с22)
,2(<и>) Р(е,)(с12-С11)
С учетом введенных обозначений байесовское классифицирующее правило
для двух классов записывается в следующем виде:
если Х,2(Г„>)>е,2(Г.„);'
К.,Д> если Х11(Г<,>)<е12(У<„).
(4.155)
В общем случае, когда число рассматриваемых технических состояний рав-
но т, классифицирующее правило имеет вид:
(	т	т
У<пЛ если £cHP(er)P(y/er)<£^P(es)P(y/eJ;
Г=1	5=1
i,k = l,m,i = k.	(4.156)
Неравенство в условии (4.156) можно выразить с помощью приемов, ана-
логичных использованным при рассмотрении двух технических состояний
объекта, через отношение правдоподобия и соответствующее пороговое
значение, то есть:
357
Современная телеметрия в теории и на практике
1 (Y	а (у а - Р<е*Хс*> ~сн)
'* <я> Р(¥/еУ *{<п>) P(e,.)(Ci/-C,)’
Тогда классифицирующее правило примет вид, аналогичный условиям
(4.155), то есть:
i, к = 1, m;
если Ля(Г„>)>еа(У<„);
если
i Ф к.
(4.157)
Однако для представления общего случая разделения на несколько классов
удобнее использовать функцию потерь специального вида, которую можно
получить, если потери при правильном принятии решения считать равны-
ми нулю ( си = 0 при всех i = а при принятии любого ошибочного
решения - одинаковыми (сй= ckj при всех I,к = 1,т; i * к ). В этом случае
функцию потерь можно представить как:
(4.158)
где 6jk - символ Кронекера. Это соотношение устанавливает нормирован-
ную величину потерь, равную единице, при ошибочной классификации и
отсутствие потерь в случае правильной классификации распознаваемого
состояния объекта. Подстановка соотношения (4.158) в формулу (4.150)
приводит к выражению:
т	т	т
О,т =£(1-8„)Р(Ч)/>(Г/е,) = £р(е,)/>(Г/е,)-Х8„/,(е,)Р(Г/е,) =
1=1	/=1	/=1
= P(Y)-P(ek)P(Y/ek), к = \,т.	(4.159)
Байесовское классифицирующее правило в этом случае обеспечивает отне-
сение изображения У<п> к классу , если выполняется условие:
Р(У) - Р(е, )Р(У/е,.) < Р(У) - P(ek)P(Y/ек)
или условие:
Р(е;)Р(У/е,.)>Р(ел)Р(У/е*);	= i*k (4.160)
Таким образом, байесовское классифицирующее правило принимает фор-
му условия (4.143), в котором решающая функция </;(У<п>) определяется в
соответствии с формулой (4.160) следующим выражением:
<(У<И>) = Р(е,)Р(У/е,.), i = \Л (4.161)
358
Г лава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Если в это выражение вместо вероятности P(Y/ej) подставить соответству-
ющее ей значение из формулы (4.148), то получится эквивалентное выра-
жение:
di(Y<n>) = P(Y)P(ei/Y), i =
Вероятность P(Y) из полученного выражения можно исключить, так как
она не зависит от i, в связи с чем окончательно можем записать:
i =	(4.162)
Формулы (4.161) и (4.162) выражают два различных, хотя и эквивалентных
подхода к решению одной и той же задачи. В первом из них используется
функция правдоподобия P(Y/e), а во втором - вероятность P(e/Y) принад-
лежности наблюдаемого состояния объекта к его i-му техническому состоянию.
Функция правдоподобия P(Y/ej) есть не что иное, как условная плотность
распределения изображения У<п> в i-м классе, обозначаемая ранее как
ф/У.^). Помимо плотности распределения ф/У<я>/) при реализации первого
подхода необходимо знание вероятностей технических состояний Р(е).
Таким образом, выбор того или иного статистического метода распознава-
ния зависит от характера исходной информации и возможностей ее полу-
чения на этапах, предшествующих непосредственной реализации распо-
знающей процедуры. Байесовский метод применяется тогда, когда априори
известны вероятности технических состояний объекта, многомерные плот-
ности распределения признаков в каждом из них и стоимости принятия
соответствующих решений. Если определение вероятностей Р(е) вызывает
затруднение, то можем обойтись без них, используя так называемый мини-
максный критерий, который минимизирует максимально возможное зна-
чение среднего риска при распознавании.
При использовании этого критерия компенсируются любые неблагоприят-
ные случайности, связанные с недостатком информации об априорных ве-
роятностях Р(е.). Благодаря этому получаются наименьшие средние потери
при распознавании технического состояния объекта в наихудших возмож-
ных условиях. По своей сути минимаксная стратегия есть байесовская стра-
тегия для наихудших значений априорных вероятностей Р(еД дающая хотя
и осторожную, но гарантированную величину условного среднего риска.
В случае, если не известны ни вероятности P(Y/ei), ни значения потерь с1к,
для построения алгоритма распознавания целесообразно использовать крите-
рий Неймана-Пирсона. Этот критерий заключается в построении такой раз-
деляющей границы между классами, при которой обеспечивается минималь-
ное значёние вероятности ошибки второго рода в процессе выработки решения
при заданном допустимом значении вероятности ошибки первого рода.
359
Современная телеметрия в теории и на практике
Хотя все три упомянутых выше критерия явно различны, но все они осно-
ваны на отношении правдоподобия. В этом смысле достаточно ограничить-
ся изложением основного из этих критериев - байесовского, а остальные
рассматривать как его частные модификации.
Следует отметить факт, который связан с применением байесовской стра-
тегии в случае, когда функции правдоподобия ^(У<п>)= P(Y/e) есть мно-
гомерные плотности нормального (гауссовского) распределения, то есть:
Р(Г / е) =---'----гехрГ-i(Г.„ - (r„s - 1L,)1
i = \,m	(4.163)
где Y<n>l - n-мерный вектор средних значений измеряемых признаков
Sj(j = 1,и);	- ковариационная матрица; I - определитель кова-
риационной матрицы.
Они определяются по формулам:
й,=-М{С,}>	(4.164)
-?<.>,)(?<'.„ -i7...,)7},	(4.165)
где М - оператор математического ожидания, определяемый по всей сово-
купности векторов Y<n>k, относящихся к г-му классу (i = 1, т ).
Образы i-ro класса, выбранные из совокупности с нормальным распределе-
нием, проявляют тенденцию к образованию одного изображения e<n>j дан-
ного класса, центр которого определяется вектором средних значений Y<n>j,
а форма - ковариационной матрицей . В качестве решающей функции
при распознавании может быть использована функция (4.161). Однако в свя-
зи с тем, что плотность нормального распределения выражается экспонен-
той, удобнее использовать натуральный логарифм от этой решающей фун-
кции, то есть:
^(Г<п>) = 1п[Р(е,)Р(У/е,)]=1пР(е/) + 1пР(У/е,.), i = l,т. (4.166)
Решающая функция (4.166) эквивалентна решающей функции (4.161)
в смысле качества классификации, так как натуральный логарифм - мо-
нотонно возрастающая функция. Подставив выражение (4.163) в форму-
лу (4.166) и учитывая, что член (л/2)1п2л не зависит от г, а поэтому мо-
жет быть опущен, получим следующую решающую функцию:
360
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
</,(/„,) = In P(e,)-iln|Cw|-l(K„J=
i = Tjn	(4.167)
Если для всех z = \,т C[nj = 7^; Р(в(.) = —, то вместо функции (4.167)
будем иметь	т
^Ya,) = r:.,Y^-^YLyml ' =	«168)
Так как вектор средних значений Y<n>j совпадает с изображением е<я>/,
то есть Y'. =е^ то можем окончательно записать:
<п>1 <п>г
d, (у<„>) = YLe<n>i ~ | <»<„>,- i = Um.
Полученная решающая функция полностью совпадает с решающей функ-
цией (4.144), используемой при классификации образов по критерию ми-
нимума расстояния.
Таким образом, при нормальном распределении изображений Y<n> внутри
классов байесовский подход к распознаванию технических состояний объ-
екта дает такие же результаты, что и подход, основанный на использовании
функций расстояния. И вообще, внимательно изучая каждый из этих под-
ходов, мы можем установить значительное сходство между статистически-
ми и детерминированными алгоритмами распознавания.
4.3.3. Поиск МЕСТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИЧИН НЕИСПРАВНОСТЕЙ
ОБЪЕКТА
Алгоритм обучения распознаванию отказов
Различные отказы элементов объекта проявляются по-разному. Этот факт
и позволяет отличать один отказ от другого при их распознавании. В боль-
шинстве случаев задача распознавания отказов не предусматривает опреде-
ление каждого отказавшего элемента.
Ввиду большого числа элементов в современных технических объектах
такая задача практически не только невыполнима, но зачастую и бессмыс-
ленна, так как не всякий отказавший элемент может быть заменен на ис-
правный. Поэтому смысл имеет распознавание отказов на уровне сменных
361
Современная телеметрия в теории и на практике
функциональных элементов объекта (блоков, узлов, плат, модулей и т. п.).
В этом случае между сменными функциональными элементами (в даль-
нейшем для краткости будем называть их блоками) и классами распозна-
ваемых отказов существует взаимно однозначное соответствие: в каждый
/-й класс включаются отказы элементов только z-го блока (i = \,т).
Разные дефекты внутри одного и того же блока могут отличаться друг
от друга по ряду признаков. В то же время существуют некоторые общие
свойства этих дефектов, которые отличают их от дефектов других блоков.
Например, отказы элементов внутри одного блока ведут к изменению одних
и тех же параметров (выходных сигналов), в то время как другие параметры
не реагируют на них [3].
Для успешного распознавания отказавших блоков необходимо каким-то
образом выяснить общие признаки дефектов внутри каждого блока, отвле-
каясь от их отличительных признаков. В этом заключается основной смысл
обучения распознаванию отказов.
Для осуществления обучения может быть использовано физическое или
математическое (имитационное) моделирование различных отказов. Для
этого в каждый блок заведомо исправного объекта (или его модели) вводят-
ся отдельные дефекты (повреждения) и фиксируются при этом значения
всех выходных сигналов у. в выбранных контрольных точках объекта при
подаче на его вход сигналов, имитирующих внешние возмущения. Предпо-
ложим, в /-й блок введено N. дефектов и зафиксированы при этом значения
всех п контролируемых выходных сигналов. Результаты эксперимента мо-
гут быть представлены в виде матрицы:
у{	У1	-	К
и==	У1	У1	-	У2п
У N,\	Уы,2	•••
где у\. - значениеj-го контролируемого сигнала при &-м дефекте /-го класса
(z = 1,т; j = \,п\к = 1,7V; ). Из матрицы (4.169) может быть вычислен
искомый вектор е<п>. , в котором каждый компонент представляет собой
усредненную величину значений элементову-го столбца матрицы. Посколь-
ку заранее неизвестно, какое количество обучаемых примеров потребуется
для получения векторов e<n>j с необходимой точностью, то расчет этого век-
тора ведется рекуррентно после каждого введенного дефекта в соответствии
с изложенным выше алгоритмом обучения [3].
362
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Обучение распознаванию отказов производится после обучения распозна-
ванию технических состояний объекта, характеризующих его нормальные
(номинальные) режимы функционирования. В этом случае для каждого
контролируемого параметра (сигнала) г/, оказываются установленными
его нижнее у“1} и верхнее г/"/; допустимые значения в каждом l-м режиме
нормального функционирования объекта. Поэтому в процессе обучения
распознаванию отказов можно не фиксировать значения контролируе-
мых параметров, а достаточно установить, какие из них вышли за допус-
тимые пределы. Тогда возможно представление признаков sk. в бинарной
форме. Для обозначения бинарных признаков можно использовать сим-
волы 1 и 0.
Однако более удобным в вычислительном отношении является использо-
вание для этих целей символов 1 и -1, причем первым из них обозначается
соответствие контролируемого параметра установленному допуску, а вто-
рым - его несоответствие. Если при обучении имитируется Z-й режим ра-
боты объекта I = \,L, который нарушается введением в i-й блок (i = \,т )
очередного k-ro дефекта ( к = 1, ) , то бинарные признаки skj определяют-
ся по правилу:
1, если У^[у'',Уу~\;
-1, если
При использовании признаков в бинарной форме анализ и обработка ре-
зультатов наблюдений значительно упрощаются, соответственно упроща-
ется и реализация алгоритмов распознавания без снижения достоверности
получаемых результатов. В частности, при бинарных признаках skj с {-1,1}
в качестве базисных функций	с помощью которых аппрокси-
мируется искомая разделяющая функция J](Y<n>),выступают функции
Тогда возможна запись:
> T<n> )	^<n>i^<n> ’
7=1
с учетом чего рекуррентная формула алгоритма обучения принимает вид:
=	< = 1,2,3,...,™. (4.170)
к
где:
Y<n>{k) = [SSk),sAk\...,sn{k^-, •
$.(£)е{-1,1}; к = 1,2...
363
Современная телеметрия в теории и на практике
В случае фиксированной обучающей выборки, когда состав дефектов, вво-
димых в каждый i-й блок объекта, заранее определен,.выборка i-ro класса
может быть записана в виде матрицы [3]:
	511	5,2	" S\n	
U i=	521	522	” S2n	,i = 1, m
	_5У;1	SN,2 ’	" SN,n_	
(4.171)
Эта матрица отличается от матрицы (4.169) тем, что элементами ее являют-
ся бинарные признаки s'kj. е {-1,1}; i = 1, т; j = 1, п; к = 1, Ni, в то время
как в матрице (4.171) элементами являются значения контролируемых па-
раметров при реализациях работоспособных состояний объекта.
Из матрицы (4.171) компоненты искомого вектора e<n>j определяются
по формуле:
(4.172)
М/ м tv,.
где N* - число элементов равных единице, вj-м столбце матрицы (4.172).
Как следует из формулы (4.172), значения искомых коэффициентов г. рас-
полагаются в замкнутом интервале [-1,1]. Удобство представления искомых
коэффициентов в такой форме заключается в том, что каждый из них имеет
ясный физический смысл.
При введении в i-й блок очередного дефекта из обучающей выборкиу-й па-
раметр объекта в общем Случае изменяет свое значение. Однако при одном
дефекте изменение j-ro параметра оказывается незначительным (или вовсе
отсутствует) и его значение не выходит за пределы установленного интер-
вала. Это означает, что по данному параметру введенный дефект не иденти-
фицируется (не проявляет себя).
При другом же дефекте значение того же /то параметра может оказаться
вне допустимого интервала (дефект идентифицируется noj-му параметру).
Положительное значение коэффициента г. указывает на то, что в обучаю-
щей выборке i-ro класса преобладают такие дефекты, при которых значения
j-ro параметра не выходят из допустимого интервала.
Количественной мерой этого преобладания noj-му параметру служит ве-
личина модуля | г |. Отрицательное значение г., свидетельствует о том, что
значение j-ro параметра при обучении оказывается чаще вне допустимого
интервала, чем в нем. Если обучающая выборка по объему представительна,
то всякий полученный коэффициент г. будет достаточно точно отражать
поведение j-ro параметра при отказах i-ro блока (i = 1, т; j = 1, п ).
364
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Таким образом, всякий коэффициент г. можно рассматривать как обобщен-
ный символ v. = sign г., взятый с соответствующим весом g.. = | г.|, то есть:
= gtJsfJ (i = l,m;j = l,ri).	(4.173)
По своей сути коэффициент п. является обобщенным признаком дефектов
г-го блока noj-му параметру, а вектор e<n>i =(rjt, ra,..., rjn)T- обобщенным опи-
санием этих дефектов по всей, совокупности контролируемых параметров,
то есть изображением класса
Признаки г.е [-1,1] , полученные при достаточно большом объеме обучаю-
щей выборки, содержат в себе статистические сведения, которые могут быть
использованы для определения вероятностных характеристик классов.
Так как число TV* в формуле (4.172) случайно, то появление признака г.
со знаком «+» или «-» является случайным событием , которое характе-
ризуется соответствующей вероятностью P(s7). Обозначим через е/? собы-
тие, заключающееся в выходе j -го параметра объекта за пределы допусти-
мого интервала в случае введения в его г-й блок дефектов из обучающей
выборки. Вероятность Р(е..) этого события приближенно оценивается че-
рез соответствующий признак г. по формуле [3]:
Р(Еу) = ^,	(4.174)
которая непосредственно следует из формулы (4.172). Очевидно, что:
>(еД если signr..=-l;
1 -	), если sign Гу = 1.
События sj7 - являются элементарными событиями по отношению к отка-
зу i-ro блока, который многократно воспроизводится в процессе обучения.
Другими словами, отказ г-го блока есть сложное событие, которое сопро-
вождается совместным появлением элементарных событий $ „
В общем случае события являются зависимыми. Тогда вероятность q. от-
каза г-го блока находится через вероятности P(si?) по формуле
Я, = Л| •Sy) = P(sn)P(si2 Is^P^ls^ | si2)...P(sin/I s^. (4.175)
7=1	7=1
Условные вероятности, фигурирующие в этой формуле, могут быть найде-
ны из анализа обучающей выборки г-го класса, представленной в виде мат-
рицы (4.171).
Для каждого у-го столбца этой матрицы ( j = \,п ) определим разбиение
множества ее строк на два непересекающихся подмножества Uy и Uy.
w=
365
Современная телеметрия в теории и на практике
Первое из них включает в себя строки U‘k матрицы, содержащие ву'-м столб-
це признаки s'kj = 1, а второе - строки, содержащие в этом же столбце при-
знаки s‘kj = -1, то есть:
Щ = 14 =-!}•
Число элементов, входящих в множество, будем обозначать двумя верти-
кальными черточками, между которыми заключено обозначение самого
множества. Например, число элементов множества Uy обозначается че-
рез р;|.
С учетом введенных обозначений имеем [3]:
где:
Uy, если Sy = sign Гу = 1;
Uy, если Sy = sign Гу=-1.
Подставив эти значения в формулу (4.175), получим:
(z = 1,т).

(4.176)
366
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
В случае, если объем обучающей выборки заранее не определен, то есть
число Nj вводимых в i-й блок дефектов заранее не установлено, то опре-
деление коэффициентов г. производится рекуррентно, согласно соотноше-
нию (4.170).
Для каждого определяемого коэффициента г это соотношение принимает
следующий вид:
(4.177)
К
где$^ е{-1,1).
В аналогичной форме могут быть представлены рекуррентные соотноше-
ния для вычисления вероятностных характеристик классов. В частности,
вероятность Pfz^k)] выхода у-го параметра объекта за допустимые пределы
при введении в г-й блок k-ro дефекта определяется по формуле:
Р[е, (к)] = Р[е, (к -1)]+(к -1) - s. (£)].	(4.178)
ЛК
Путем несложных выкладок можно также получить рекуррентное со-
отношение для определения вероятности q.(k) отказа z-ro блока на k -м шаге
обучения в следующем виде:
п
=	,	(4.179)
_	к I	7=1
где знак ® означает сложение по mod 2~', выполняемое по правилу:
если sy (к -1) = Sj (к);
если Sy (к -1) Ф Sj (к);
5у(к-].)л5у(к)е{-1,1}.
Реализация процесса обучения в изложенной форме требует постановки
ряда экспериментов, связанных с введением различных дефектов в объект.
Эти операции могут быть выполнены на этапе лабораторных или стендо-
вых испытаний опытного образца объекта или его макета.
Очевидно, что чем больше при обучении используется примеров дефектов
(обучающих реализаций), тем выше точность определения коэффициентов
г.., описывающих свойства классов, а также их вероятностных характерис-
тик. Однако проведение большого числа подобных экспериментов не всегда
возможно, особенно когда исследуемый объект представляет собой слож-
ную и дорогостоящую техническую систему. В этом случае целесообразно
использовать имитационное моделирование, при котором эксперименты
над реальным объектом заменяются экспериментами над его моделью [3].
367
Современная телеметрия в теории и на практике
В принятой нами модели предусмотрено наличие генератора случая (дат-
чика случайных чисел). В рамках этой модели можно реализовать алгоритм
обучения, основанный на формировании случайных обучающих изображе-
ний и последующей их классификации в соответствии с определенными
требованиями.
Реализация алгоритма требует наличия в качестве начальных приближе-
ний некоторых грубых значений коэффициентов г..(0), которые получаются
за счет использования небольшой по объему обучающей выборки, включаю-
щей по нескольку реальных дефектов каждого г-го блока (i = 1,т ). Значе-
ния г..(0) уточняются затем по мере поступления обучающих изображений,
формируемых датчиком случайных чисел [3].
Каждое формируемое изображение У<и> представляет собой набор из п рав-
номерно распределенных бинарных признаков § е{-1,1}. Равномерность
распределения признаков наилучшим образом согласуется с требованиями
к представительности обучающей выборки в статистическом смысле. Од-
нако при этом не исключается возможность использования и других видов
распределения (нормального, биномиального, Пуассона и т. д.) в зависи-
мости от имеющейся априорной информации о предполагаемом поведении
контролируемых параметров.
Способы формирования последовательностей, состоящих из конечного
числа случайных признаков §ф е{-1,1}, при любом законе их распределения
достаточно полно разработаны и описаны.
Сформированное на каждом k-м шаге обучения изображение:
Y(n) (Аг) = k(fc)	(4180)
используется для получения уточненных значений r..(k)y P(s..(k)) и q.(k) по
формулам (4.176) - (4.178). Так как принадлежность случайного изображе-
ния (4.179) одному из классов заданного алфавита не установлена, то по-
правке подвергаются полученные на предыдущем шаге обучения харак-
теристики всех классов. Если при этом изображение (4.180) имеет
наибольшее сходство с изображением e<n>i(к -1) = гу (к -1),rin (к -1) J ,
то соответствующие характеристики i-го класса r..(k-1), P(t..(k-1)) и q^k-1)
улучшаются в наибольшей степени по сравнению с аналогичными харак-
теристиками других классов. В случае полного несовпадения изображений
y<w>(&)n e<n>i(k-1) характеристики данного г-го класса ухудшаются. Такую
процедуру обычно называют обучением с поощрением и наказанием. В пре-
деле (при k оо) эта процедура дает устойчивые значения указанных харак-
теристик для всех классов заданного алфавита [3].
Сходимость описанной процедуры обучения можно ускорить за счет це-
ленаправленного выбора обучающих изображений из числа формируе-
мых случайных изображений. Очевидно, что не всякое сформированное
368
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
случайное изображение может быть использовано как обучающее. Неко-
торые из них не будут достаточно полно отражать свойства реальных де-
фектов исследуемого объекта. Такие изображения искажают уже полу-
ченные характеристики классов, и для компенсации подобных искажений
требуется значительно увеличить число последующих обучающих изоб-
ражений, а следовательно, и затраты на обучение.
ПОИСК ДЕФЕКТОВ В ЭЛЕКТРО-РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ
Поиск дефектов может выполняться при условии, когда известно, что в элек-
тро-радиоэлектронной аппаратуре (ЭРЭА) возник дефект, или в том случае,
когда неизвестно, есть ли в ЭРЭА дефект [4 J. В первом случае осуществляет-
ся собственно поиск дефекта. При этом технические средства диагностиро-
вания должны помочь определить, какой именно дефект возник. Во втором
случае, который называется проверкой исправности, технические средства
диагностирования должны ответить на вопрос, есть ли в ЭРЭА дефект, и
если есть, то какой именно.
Технические средства диагностирования и в том, и в другом случае могут
предназначаться для анализа выходного сигнала ЭРЭА или последователь-
ной оценки множества сигналов, возникающих в специально выбранных
для проверки местах ЭРЭА (контрольных точках). Для анализа выходного
сигнала необходима информация о связи возникающих дефектов с измене-
нием формы и величины выходного сигнала. Для последовательной про-
верки сигналов в контрольных точках необходимо обеспечить выполнение
техническими средствами жестких или гибких алгоритмов, определяющих
последовательность выполнения проверок [4].
Поиск дефектов в ЭРЭА осуществляется проверкой признаков наличия
дефектов. Признаками наличия дефектов являются увеличение или умень-
шение выходных параметров, выход параметров и характеристик за допус-
тимые пределы, появление логических сигналов о срабатывании или несра-
батывании элементов. Наличие дефектов определяется проверкой условий:
1,при
О, при
(4.181)
1, при
§,при
где х*, х‘ - признаки i-ro дефекта;/.,/.1,/^2 - текущее и эталонное значения
диагностических показателей.
369
Современная телеметрия в теории и на практике
Техническая реализация операции формирования признаков наличия де-
фектов может быть различной. На рис. 4.26а показана схема сравнения.
Здесь Yi - вектор ответных реакций; Угэ - вектор эталонных сигналов; Si -
вектор, характеризующий состояние ЭРЭА (дефект). Подобная схема
используется в тех случаях, когда входное воздействие Xi не изменяется.
В тех случаях, когда можно осуществить тестовое воздействие, схема изме-
няется (рис. 4.266). При этом тестовое воздействие Твырабатывается генера-
тором тестовых воздействий; эталонные значения Угэ выходных сигналов Yi
вырабатываются формирователем эталонов по команде программного уст-
ройства. На рис. 4.26в приведена схема обнаружения дефекта путем срав-
нения реакции ЭРЭА и эквивалентной модели на один и тот же входной
сигнал Xi с помощью схемы сравнения.
На рис. 4.26г приведена схема обнаружения дефекта путем подсчета с по-
мощью счетного устройства числа операций, выполняемых ЭРЭА над
входным воздействием Xi . При этом эталонная последовательность /гэ,
поступающая с формирователя эталона, сравнивается в схеме сравнения с
В),	г)
Рис. 4.26. Схема формирования признаков наличия дефектов
Для поиска возникшего дефекта ЭРЭА разделяют на отдельные части (функ-
циональные элементы), объем которых зависит от заданной глубины поиска
дефекта. В результате осуществления поиска устанавливают, в каком функ-
циональном элементе возник дефект. Наличие дефекта в функциональном
элементе соответствует отсутствию требуемого сигнала на его выходе [4].
370
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Технические средства для поиска функционального элемента в ЭРЭА, в ко-
тором возник дефект, могут строиться на логических элементах. Схемы тех-
нических средств различаются по структуре и числу логических элементов
в зависимости от принятого алгоритма поиска и используемого математи-
ческого описания. Наиболее целесообразную схему выбирают в результа-
те сравнения возможных вариантов. Возникновение дефектов в элементах
электрооборудования приводит к изменению их электрических параметров
или характеристик, что позволяет обнаружить их, сравнивая текущие зна-
чения этих параметров или характеристик с номинальными.
Одним из показателей диагностирования, которые должны обеспечить тех-
нические средства диагностирования, является глубина поиска дефекта.
Чем ниже уровень структурной единицы, тем сложнее алгоритм поиска в
ней дефекта и тем выше стоимость технических средств диагностирования.
В то же время чем ниже уровень структурной единицы, тем ниже стоимость
запасных элементов.
В связи с этим при задании глубины поиска дефекта необходимо стре-
миться обеспечить минимальные затраты на создание технических
средств диагностирования и запасных элементов, то есть выполнить ус-
ловие С = min Ci. i=i.„.k. где Ci - суммарные затраты на создание средств
и комплекта запасных элементов при i-и глубине поиска дефектов; k -
минимальный иерархический уровень структурной единицы, определяе-
мый возможностью ее восстановления.
Объект диагностирования представляется уровнями структурных единиц,
которые отражают соответствующую глубину поиска дефектов (например,
для стоек г=1; для блоков i = 2; для субблоков i = 3; для плат i = 4; для мик-
росборок i = 5 и т. п.). На каждом 2-м уровне объект содержит z. структурных
единиц, каждая из которых характеризуется стоимостью:
(4.182)
n=i
где пи Сц- соответственно число и стоимость составных элементов струк-
турной единицы.
Множество параметров, подлежащих проверке при поиске дефектов с глуби-
ной 2, разделяется на Si групп однотипных параметров (токи, напряжения,
частота следования импульсов, временной интервал и др.), которые прове-
ряются одними и теми же техническими средствами. Элементами техничес-
ких средств диагностирования для проверки этих групп параметров могут
служить датчики эталонных напряжений, компараторы, счетчики, програм-
мные устройства и др. Это оборудование для каждой;-й группы характери-
зуется стоимостью:
371
Современная телеметрия в теории и на практике
т
4=1
где т - число составных элементов.
(4.183)
Поскольку совокупность параметров структурных единиц более низких
уровней может включать в себя параметры структурных единиц более вы-
соких иерархических уровней, то при последовательном увеличении глуби-
ны поиска с г-го до (i+l)-ro уровня к средствам, обеспечивающим проверку
Si- групп параметров, добавляются лишь элементы, обеспечивающие про-
верку дополнительных Д5.+] групп параметров, число которых определено
из условия Д5={Р}.+1\{Р.}..
Для проверки параметров ;-й группы, кроме общих средств, необходимо
иметь однотипные, встраиваемые в объект датчики, обеспечивающие выде-
ление и нормирование проверяемых параметров, а также разделение функ-
ционального и измерительного трактов системы диагностирования. Датчи-
ку каждой j-й группы соответствует стоимость а..
Общая стоимость технических средств диагностирования, обеспечивающих
поиск дефекта с глубиной i:
(0=S ILajX^lLRj' <4-184>
>1 V =1	>1
гдех, — булева переменная, определяемая по условию:
1, если состояние V -й структурной единицы хар - ся
Xv=i
зн.одного из параметров j-й группы
О, в противном случае
Средняя стоимость структурных единиц о-го уровня, заменяемых в процес-
се эксплуатации:
1 z, S,
Q3(i)= — lav Z Ncpj,	(4.185)
Z,v=l Л'
где N - среднее число отказов v-й структурной единицы, определяемых
поj-й группе параметров за время эксплуатации объекта.
Таким образом, суммарные затраты на создание технических средств
диагностирования и запасных элементов при реализации поиска дефек-
тов с глубиной i:
C(i)=Rnd.(i)+Q3(i).	(4.186)
На рис. 4.27 приведена зависимость затрат на технические средства диагнос-
тирования и запасные элементы для объекта диагностирования от глубины
372
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
поиска дефекта. Стоимость 7?нл растет с увеличением i (кривая 1), а стои-
мость Q3 снижается с ростом i (кривая 2).
Рис. 4.27. Зависимость затратна технические средства
диагностирования и запасные элементы объекта диагностирования
от глубины поиска дефектов
В связи с этим результирующая кривая 3 имеет минимум в точке А.
Глубина поиска дефекта определяется при линейном поиске минимума.
Процедура поиска строится следующим образом. Значение функционала
вычисляется в двух соседних точках Ц и /2 дискретного интервала [1, &];
/j=]&/2[, /2в 1 • По ним оценивается градиент суммарной стоимости в сере-
дине интервала. Если С(0 > С(/2), то минимум функционала достигается
в правой части интервала [1, к] , в противном случае - в левой. Принимая
половину предыдущего интервала, содержащего минимум С(г), за исход-
ный интервал, повторяем процедуру до получения решения [4].
Достоверность диагноза во многом определяется инструментальной досто-
верностью технических средств диагностирования. С целью повышения
инструментальной достоверности в технические средства диагностирова-
ния вводят операции самоконтроля.
4.3.4. Задачи технического генеза
Задачи технической генетики возникают в связи с расследованием аварий
и их причин, когда техническое состояние объекта в рассматриваемое вре-
мя отличается от состояния, в котором он был в прошлом, в результате
появления первопричины, вызвавшей аварию. Под поставарийной диа-
гностикой подразумевается процесс установления причины аварии объ-
екта с использованием всей доступной информации [5]:
•	телеметрической информации, полученной во время эксплуатации
объекта вплоть до развития аварии;
373
Современная телеметрия в теории и на практике
•	результатов всех предшествующих измерений, сделанных во время
предварительных исследований и испытаний объекта;
•	результатов поставарийных расчетов, моделирований и исследова-
ний на стендах;
•	исследований фрагментов аварийного объекта и т.д.
Исследуются только случаи, когда авария объекта уже случилась и необхо-
димо установить конкретные причины ее возникновения. Рассматривать-
ся будут те аварии, которые влекут за собой полное невыполнение задачи
объекта, и такое разрушение объекта или наземного комплекса приема ре-
гистрации телеметрической информации (ТМИ), после которого основные
их элементы не подлежат дальнейшему использованию. Например, взрыв
ракеты-носителя на старте или в полете.
Обычно ТМИ позволяет сравнительно быстро определить, где именно про-
изошел отказ - в наземном или бортовом комплексе. Затем, если отказал
бортовой комплекс, выделяется отказавшая бортовая система. Если выяв-
лен отказ системы, то далее устанавливается отказавшая подсистема, агре-
гат, блок, узел, элемент.
Если однозначно установлен отказавший элемент, то его доработка или за-
мена проводится в таком объеме, который должен исключить подобный от-
каз в будущем. Иногда не удается установить однозначно элемент, и тогда
доработке подвергается более крупный узел или блок.
Можно говорить о некотором множестве тех элементов, с глубиной до кото-
рых следует провести диагностику и которые потом следует доработать так,
чтобы их отказ не приводил к аварии.
Мощность этого множества называется глубиной постдиагностики. Опыт
показывает, что данная глубина очень велика [5]. Случались аварии по при-
чине замыкания кусочком монтажной проволоки, всплывшим в невесомос-
ти, двух соседних контактов системы управления движением разгонного
блока ракеты космического назначения. Этот пример показывает, что число
отказов единичных элементов, которые могут приводить к авариям, может
быть достаточно большим. Поэтому при разработке объекта обычно создает-
ся специальная служба обеспечения безопасности и надежности, которая
выявляет и заставляет разработчиков устранять все критические точки, от-
каз в которых ведет к аварии. Однако опыт эксплуатации показывает, что
далеко не все такие критические точки оказываются доработанными, хотя на
этапе разработки они выявляются сотнями и тысячами.
При внедрении на борт телеметрируемого объекта программного обеспече-
ния (ПО) было выяснено, что в ПО также могут быть критические ошибки,
374
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
приводящие к аварии. Они, как правило, проявляются в полете при появ-
лении маловероятных сочетаний различных возмущающих факторов. Это
затрудняет их выявление на наземных стендах. Ошибки ПО еще больше
увеличивают глубину постдиагностики.
Второй особенностью постдиагностики является то, что материально систе-
ма постдиагностики практически не существует в виде отдельной системы.
Обычно при аварии объекта создается государственная комиссия по рас-
следованию и устранению ее причин. В нее входят как представители заказ-
чика, так и представители промышленных, научных организаций.
Эта комиссия, по сути дела, и организует процесс постдиагностики приме-
нительно к данной аварии. Но поскольку аварии случаются не каждый год
и обычно уникальны по изделиям и по причинам, то не удается формализо-
вать стратегию постдиагностики и воплотить ее в единых документах, аппа-
ратурном и программном обеспечении.
Вместе с тем последствия аварий объекта в стоимостном выражении очень
велики, что настоятельно требует энергичной работы по:
•	разработке мер безопасности, мер по предотвращению и локализации
аварийных ситуаций;
•	быстрому и достоверному установлению причины аварии и устране-
нию этой причины.
Решение второй из приведенных проблем естественным образом ведет к
построению некоторой экспертной системы (ЭС), специализированной
на задачу постдиагностики. Эта ЭС может на первом этапе быть «настрое-
на» на конкретный объект. Однако рано или поздно все равно придется го-
ворить о построении сети из ЭС. Такая сеть должна иметь иерархическую
структуру, на нижних уровнях которой будут находиться ЭС, для которых
ЭС более нижнего уровня будут служить базой данных. А их база знаний
будет уже «настроена» на более широкое поле знаний, включая общие про-
блемы для нескольких объектов.
На самом верхнем уровне будут решаться задачи выбора технической поли-
тики в области постдиагностики для всей отрасли в целом. Очевидно, что
статистика и рекомендации с этого уровня должны доходить до разработ-
чиков перспективных объектов и их ЭС, специализирующихся на задачах
автоматизированного проектирования [5].
На рис. 4.28 обозначены:
1	- блоки, соответствующие объекту и их авариям;
2	- блоки ЭС, настроенные на постдиагностику соответствующих объектов
(летательных аппаратов (ЛА));
375
Современная телеметрия в теории и на практике
3	- блоки доработок объекта по результатам аварий;
4	- блок ЭС самого верхнего уровня, на котором обобщаются все данные
об авариях объекта и методах постдиагностики;
5	- блок управления технологией разработки и производства объекта (ЛА).
Рис. 4.28. Информационная система постдиагностики
Известно, что любая ЭС состоит из следующих основных блоков ПО:
•	блок решений, который воспринимает входную информацию, орга-
низует сам процесс выработки и выдачи решения;
•	блок базы данных (БД);
•	блок базы знаний (БЗ).
На вход ЭС нижнего уровня поступают все данные по конкретной аварии.
Блок решений должен помочь госкомиссии организовать процесс пост-
диагностики и получить окончательный диагноз. Блок БД содержит все
данные о функциональных схемах объекта и особенностях его функциони-
рования на предыдущих этапах жизненного цикла.
Наиболее важный блок БЗ должен содержать знания (правила) типа: «Если
бы имела место такая-то причина аварии, то она с большой вероятностью
протекала бы вот таким образом».
БЗ накапливается и по статистике аварий по результатам расчетов, и по
данным физического моделирования. Кроме того, БЗ должна содержать
знание основных законов движения ЛА и функционирования его подсис-
тем и элементов.
Функционирование локальной ЭС может быть описано блок-схемой на
рис. 4.29, где обозначены:
1	- основное вероятностное пространство (Q,F,P);
376
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
2	- телеметрируемый объект (показаны его «входы» и «выходы», которые
соответствуют некоторым телеметрическим параметрам: из 1-го блока
на вход объекта аварии поступает причина аварии z и шум
3	- измеритель (для аварии в полете - ТМИ);
4	- блок накопления информации об аварии;
5	- блок сравнения реальных измерений по аварийному объекту с данными
моделирования при проверке некоторой гипотезы о причине аварии (будем
называть его блоком оценки невязки);
6	- блок оптимальной остановки процесса постдиагностики;
7	- блок принятия окончательного решения;
8	- блок принятия следующей гипотезы о причине аварии и мерах ее про-
верки;
9	- блок реализации указанных мер проверки гипотезы о причине аварии
(частично информация от него может пополнять и накопитель блока 4:
дополнительные исследования остатков аварийного объекта или допол-
нительная обработка ТМИ и т.д.).
Рис. 4.29. Функциональная схема экспертной системы постдиагностики
Петля блоков 5-6-8-Э-5 может усложняться выделением промежуточных
блоков фильтрации информации, оценки апостериорной вероятности
на значениях z и т.д.
377
Современная телеметрия в теории и на практике
Блок 9 часть информации черпает в базе знаний, а часть - в результатах
реального физического и математического моделирования.
Третья и основная особенность задачи постдиагностики заключается в том,
что она является некорректной (по А. Н. Тихонову).
Условия корректной постановки математической задачи требуют выпол-
нения таких достаточно общих свойств, как существование, единствен-
ность и устойчивость решения.
Задача постдиагностики прежде всего не удовлетворяет третьему условию
устойчивости, или робастности. Причина аварии существует. Опыт пока-
зывает, что зачастую эта причина единственная и сводится или к отказу од-
ного элемента, или к набору маловероятной цепочки сочетаний возмущаю-
щих факторов, что приводит в итоге к «прорыву» всех ступеней и барьеров
безопасности.
Задача постдиагностики принадлежит к кругу обратных задач, в которых по
следствиям надо установить причину. Приведем примеры обратных задач.
1.	По движению объекта требуется определить действующие на него
силы (управления).
2.	По результатам замера температуры на внутренней стенке конс-
трукции телеметрируемого объекта оценить тепловую нагрузку
на наружную обшивку.
3.	По заданным эксплуатационно-техническим характеристикам
определить схемные и параметрические характеристики объекта.
Можно привести и много других примеров. В СССР эти задачи под назва-
нием «некорректные» начал исследовать в 40-е гг. А. Н. Тихонов примени-
тельно к задаче геологической разведки и интерпретации ее данных [5]. Это
всегда задачи идентификации неизвестных причин (параметров, функций)
по известным следствиям (результатам измерений).
Допустим, авария произошла по вине отказа одного из блоков, который
на рис. 4.30 обозначен как блок 1.
Ш
Рис. 4.30. Функциональная блок-схема
телеметрируемого объекта
378
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
В результате отказа блок 1 выдал сигнал вида, изображенного на рис. 4.31.
Этот сигнал поступил на вход исправного блока 2, которому соответствует
оператор:
t
Af • /*0-т)/(т)Л =м(0,	(4.187)
О
где k(t) - известная импульсная функция, в которой:
*(0=П(0-7==
yJ4nt
exp
(4.188)
где р - константа; г](Г) - единичная функция.
Рис. 4.31. Выходной сигнал
отказавшего блока
Если р = 3,05 , то при сигнале /(0, изображенном на рис. 4.31 на выходе
блока 2 будет сигнал u(t) вида, изображенного на рис. 4.32 . Положим, что
выход u(f) телеметрировался и известен. Постдиагностика должна ответить
на вопрос: отказ какого блока, 1-го или 2-го, привел к аварии.
Рис. 4.32. Сигнал на выходе
последующего блока
379
Современная телеметрия в теории и на практике
Если сигнал u(t) известен точно, то есть можно считать, что измерения про-
водятся без каких-либо шумов и помех, и если структура и коэффициенты
импульсной функции k(t) известны также абсолютно точно, то есть точно
известен оператор А, то интегральное уравнение (4.187) можно решить чис-
ленными методами и определить f(t) [5].
Сравнивая вычислительный вид функции/(£) с допустимыми ее значения-
ми, можно сделать вывод об отказе блока 1.
Но это возможно, только когда известны точные значения иг и Ат. На прак-
тике же все измерения зашумлены, а все характеристики блоков известны с
определенными погрешностями. И тогда вместо:
Arf-Ur	(4.189)
имеем:
Af = u,	(4.190)
где «волна» обозначает приближенно известные факторы (измерения,
оператор).
В этом случае:
f = AU	(4.191)
не может браться в виде приближенного значения для сигнала/(£), посколь-
ку оператор А а тем более j'1 в подобных обратных задачах, как правило,
не является непрерывным и однозначным.
Таким образом, для обратных задач возникает принципиальный вопрос: что
надо понимать под их приближенным решением? Если ответ на этот вопрос
получен, то возникает проблема нахождения таких алгоритмов построения
приближенных решений этих задач, которые обладают свойством устойчи-
вости к малым изменениям исходных данных и .
В нашем случае речь идет о достоверности диагностики и о потерях от не-
правильного диагноза, связанных с неустранением причины аварии, что
влечет за собой повторную аварию этого.объекта [5].
Рис. 4.33. Модифицированная
блок-схема телеметрируемого объекта
380
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
На рис. 4.33 дано развитие блок-схемы (рис. 4.30) для случая, когда теле-
метрируется лишь выход блока х, а неисправность может случиться в лю-
бом блоке типа $.
Даже если отказал лишь один блок $, то по ТМИ и(х) бывает практически
невозможно поставить однозначный диагноз. Тем более если и(х) телемет-
рируется с шумом, а операторы переработки информации от блоков $ извес-
тны с погрешностями. В общем случае приходим к интегральному уравне-
нию Фредгольма первого рода с ядром K(x,s) вида:
pC(x,s)/(.y)cfc = w(x), хеХ,	(4.192)
0
где $ - неизвестный аварийный отказ;/($)- динамика его последствий.
Даже если ядро K(x,s) интерпретировать как вероятность перехода из со-
стояния $ в состояние х, то и тогда однозначная постдиагностика невозмож-
на. Достоверность всегда будет несколько ниже единицы.
4.3.5.	Прогнозирование технического состояния объектов
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Задачи прогнозирования
К задачам технической прогностики относятся, например, задачи, связанные
с определением срока службы объекта или с назначением периодичности
его профилактических проверок и ремонтов. Эти задачи решаются путем
определения возможных или вероятных эволюций состояния объекта, на-
чинающихся в настоящий момент времени.
Решение задач прогнозирования весьма важно, в частности, для организа-
ции технического обслуживания объектов по состоянию (вместо обслужи-
вания по срокам или по ресурсу). Непосредственное перенесение методов
решения задач диагностирования на задачи прогнозирования невозможно
из-за различия моделей, с которыми приходится работать: при диагности-
ровании моделью обычно является описание объекта, в то время как при
прогнозировании необходима модель процесса эволюции технических ха-
рактеристик объекта во времени.
В результате диагностирования каждый раз определяется не более чем одна
«точка» указанного процесса эволюции для текущего момента (интервала)
времени. Тем не менее хорошо организованное диагностическое обеспече-
ние объекта с хранением всех предшествующих результатов диагностиро-
вания может дать полезную и объективную информацию, представляющую
собой предысторию (динамику) развития процесса изменения технических
381
Современная телеметрия в теории и на практике
характеристик объекта в прошлом, что может быть использовано для систе-
матической коррекции прогноза и повышения его достоверности.
По оценкам отечественных и зарубежных исследователей число различных
методов, приемов, методик прогнозирования превысило 200 [6]. Однако
число базовых методов, повторяющихся в различных вариациях в других
методах, не превышает десятка. Специфика исходной информации и объек-
та прогнозирования требует выбора адекватной модели, а значит, и метода
прогнозирования. Поэтому анализ будет касаться только тех методов про-
гнозирования, которые целесообразно применить к техническим системам
с учетом рассуждений, приведенных в разделе 4.
Под методом прогнозирования технического состояния (ТС) будем пони-
мать совокупность приемов прогнозирования, позволяющих на основе рет-
роспективных данных, известных внешних и внутренних связей подсистем,
а также их измерений в рамках рассматриваемых видов ТС вывести сужде-
ния определенной достоверности относительно будущего ТС системы.
Из множества возможных классификационных признаков методов про-
гнозирования определяющими взяты признаки, характеризующие способ
преобразования прогностической информации и природу знания, лежаще-
го в основании прогноза. Методы прогнозирования рассмотрим в составе
пяти основных групп [6]:
•	эвристические методы прогнозирования;
•	математические методы временной экстраполяции;
•	математические методы пространственной экстраполяции;
•	методы моделирования процессов развития;
•	логические и структурные методы искусственного интеллекта (ИИ).
Методы эвристического прогнозирования
Эвристическое прогнозирование является наиболее ранним в историчес-
ком плане направлением прогнозирования, применяемым в повседневной
жизни и технике.
В широком смысле эвристическое прогнозирование состоит в интуитив-
ном выборе из бесчисленного множества обстоятельств важнейших и
решающих. Большая часть этой интуиции состоит в полусознательном
сравнении всех величин и вариантов, с помощью которых быстро устра-
няется все маловажное и несущественное. Несмотря на то, что эксперт,
как правило, не осознает технологии эвристического прогнозирования,
он дает в среднем неплохой прогноз [6].
382
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Эвристические методы применимы для прогнозирования любых процессов
независимо от того, непрерывный процесс или дискретный, стационарный
или нестационарный, требуется качественный прогноз или количествен-
ный, имеется статистика или не имеется, описаны ли математически зако-
номерности процесса или нет. Результаты эвристического прогнозирования
представляются различными видами экспертных оценок. Широко исполь-
зуются оценки наиболее вероятного значения прогнозируемой величины,
а также оценки возможных границ прогнозируемой величины. Несомнен-
ным достоинством эвристических методов является возможность избежать
грубых ошибок, особенно в области скачкообразных изменений прогнози-
руемой величины.
Эффективность методов эвристического прогнозирования повышается не
за счет их внутренней структуры (человеческие знания о нейрофизиоло-
гических процессах функционирования головного мозга недостаточны для
этого), а за счет внешнего оформления указанных методов: подбора соот-
ветствующих по квалификации и количеству экспертов, совершенствова-
ния алгоритмов обработки результатов опроса. В итоге были разработаны
методы индивидуальных экспертных оценок, как, например, интервью и
аналитические экспертные оценки.
Основные методы коллективных экспертных оценок включают методы ко-
миссий, «Делфи», коллективную генерацию идей, матричный метод и т.д [6].
Преимущества индивидуальных методов заключаются в максимальном
использовании индивидуальных способностей эксперта и незначительнос-
ти психологического давления на отдельного эксперта. Коллективные эк-
спертные оценки основываются на принципах выявления согласованных
мнений экспертов о перспективах развития ТС сложных объектов или его
подсистем. Преимущество данных методов состоит в возможности про-
гноза многопараметрических процессов с разделением функций прогноза
отдельных групп параметров между экспертами. При этом достоверность
прогноза пропорциональна зависимости параметров друг от друга.
Однако эвристические методы субъективны и пригодны только тогда, когда
существуют эксперты, знакомые с прогнозируемой ситуацией. Кроме того,
при прогнозировании многочисленных характеристик сложных техничес-
ких устройств методы эвристического прогнозирования становятся весьма
сложными и трудоемкими.
Данное обстоятельство потребовало разработки математических методов
прогнозирования, основные достоинства которых состоят в объективности
получаемой информации и в возможности автоматизации процесса про-
гнозирования с использованием ЭВМ. И, хотя разработка любых методов
прогнозирования на всех этапах непосредственно связана с эвристической
383
Современная телеметрия в теории и на практике
деятельностью, с ростом использования вычислительной техники для задач
прогнозирования в ряде вспомогательных операций роль эвристической
деятельности как решающего фактора снижается.
Математические методы временной экстраполяции
В зависимости от используемого математического аппарата и целевой на-
правленности, математические методы временной экстраполяции можно
условно разделить на три группы: методы аналитического прогнозирова-
ния, методы вероятностного прогнозирования и методы статистической
классификации [6].
Предположим, что контролируемый процесс изменения параметров ТС
можно представить в виде многомерной функции состояния Q(^1,^2,..., kn),
которая наблюдается в моменты времени (t0,	вследствие чего
известны значения этой функции - Q(£o), .... Q(£,„)- Необходимо опреде-
лить значения функции состояния - Q(£m+1).Q(tm+Z) в моменты времени
t .. ...t . gT,.
Подобная постановка задачи справедлива в предположении, что значения
Q(£o), •••’ Q(O предопределяют величины Q(^+t),Q(tm+z), иными слова-
ми, что процесс изменения ТС «информативен» во времени. Возможность
подобного допущения зависит от степени изученности прогнозируемого
процесса в интервале времени Тх.
Идеальным случаем является получение аналитического выражения для
функции состояния Q(k, t). Задачу прогнозирования в подобной постанов-
ке можно решить различными методами, отличающимися применяемым
математическим аппаратом и называемыми методами аналитического про-
гнозирования.
К числу методов аналитического прогнозирования многомерных процессов
относится градиентный метод, в рамках которого функция состояния экс-
траполируется в направлении вектора градиента функции состояния:
Q(k,tm) = Q(k,tm)+ym+yQ(k,tJ, (4.193)
где Q(k, t) - функция состояния; ут+1 > 0 - параметр, характеризующий
длину шага прогнозирования; VQ(^/m) - вектор градиента функции состо-
яния.
Недостатком данного метода является его неэффективность в случае изме-
нения функции состояния по нелинейному закону.
Существует ряд методов аналитического прогнозирования, учитывающих
производные изменений функции состояния. К числу таких методов отно-
384
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
сят операторный метод, метод суммирования производных и т.д. Функция
состояния в данных методах определяется зависимостью:
еа.<..,)=ле(4,<„),т.ле(4,<„)),	<4.i94)
где у > 0 — параметр прогнозирования; AQ(£,tm) - оператор, определяемый
через производные функции состояния.
Модели методов прогнозирования, учитывающие производные функции
состояния, обладают неопределенностью начальных условий, и при случай-
ных помехах, накладывающихся на функцию состояния, начальная неопре-
деленность возрастает, что затрудняет определение параметров модели и,
как следствие, ухудшает точность прогнозирования. Задачу прогнозирова-
ния изменений ТС многопараметрического объекта можно свести к прогно-
зированию одномерной обобщенной временной функции вида [6]:
Qz(t0),-,Qz(O-	(4.195)
Идея метода обобщенного параметра при прогнозировании заключает-
ся в описании процесса изменения ТС, характеризуемого многими ком-
понентами, одномерной функцией, численные значения которой зави-
сят от контролируемых компонентов процесса. Отдельно для каждого
параметра .= 1,..., п можно выделить допустимое значение k°, при до-
стижении которого система теряет работоспособность.
Однако при изучении процесса изменения ТС, характеризуемого одновре-
менно большим количеством параметров и сложной зависимостью меж-
ду ними, допустимые значения k° можно выделить лишь путем натурных
испытаний или в процессе систем. Трудности при использовании данного
метода в целях прогнозирования ТС объекта могут возникнуть при оценке
значимости первичных параметров, а также при построении математичес-
кого выражения обобщенного параметра.
На практике прогнозируемые процессы можно представить в виде времен-
ного ряда чисел, определяющих их характер. При этом результат прогнози-
рования получается в виде одного числа. Прогнозирование многомерного
процесса также сводится к этому случаю, если рассматривать характер из-
менения его компонентов в отдельности. Например, в результате контроля
выбранных параметров системы получены временные ряды:
^г(^о)’*"	^г(Сп)
,	(4.196)
Л„(/о),...	£„(с)
где tj+) -t. = At - постоянный интервал, ti eTvi=l,.... т.
13 Зак. 861
385
Современная телеметрия в теории и на практике
Требуется вычислить значение параметров к1„„ кп в будущие моменты
времени t еГ2,/в1,z. Выбор и построение аналитического выражения
для прогнозирования является одним из основных вопросов, который прин-
ципиальным образом влияет на конечный результат прогнозирования с ис-
пользованием временных рядов.
Наиболее распространенным прогнозирующим аналитическим выражени-
ем является многочлен вида:
R
A(t) = ?LArFr(k,t),	(4.197)
r=l
где Fr(k,t) - базовые выражения (базисные функции), составляющие осно-
ву прогнозирующей формулы; Аг - степенные адаптационные коэффици-
енты; г = 1,..., R - степень базовых выражений.
Выражение вида (4.197) подходит для описания монотонного и постепен-
ного изменения параметров. Анализ временных последовательностей пока-
зывает, что для прогнозирования параметров используются только истори-
ческие данные об их изменениях, в связи с чем временные ряды широко
применяются для прогнозирования экономических показателей.
Очевидно, что для успешного прогнозирования ТС-объектов использова-
ние только истории их изменения недостаточно. Также к недостаткам дан-
ного метода прогнозирования можно отнести сложность и трудоемкость
вычислений, связанных с необходимостью выбора и вычисления для каж-
дого параметра прогнозирующего аналитического выражения.
К общим недостаткам методов аналитического прогнозирования следует
отнести большой объем вычислительных процедур при определении про-
гнозных значений параметров, а также неточность результатов прогнозиро-
вания при неправильно выбранной модели и неточности исходных данных,
полученных в период наблюдения Т [6].
Необходимость вероятностного прогнозирования многомерных процессов
определяется сильным влиянием внешних и внутренних факторов, имею-
щих случайный характер. Преобладание случайной составляющей при из-
мерениях k(t.) приводит к большим случайным изменениям функций со-
стояния Q(k).
Задача вероятностного прогнозирования формулируется следующим об-
разом: пусть известны значения параметров ks, s=l,..., п, полученных в мо-
менты времени ..., т, и в каждый момент ti функция состояния
полностью характеризуется функцией распределения Fi(Q). Необходимо
но известным значениям ks(t), Q(&$, t), F(Q) вычислить:
= Р{\в<.к,к„^<2,,{к) | p e }	(4.198)
386
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
где с = Q°(ks)- Qid(ks); Qh(£s) - номинальное значение Q(&,£); Q°(£s) -
допустимое значение
К методам вероятностного прогнозирования относится метод статистичес-
кого градиента, при котором закономерность движения функции состояния
Q(k,t) к допустимым границам Q°(£) оценивается статистически. В момент tm
из п координат вектора Q(£) случайным образом выбираются группы по d
координат и определяются соответствующие приращения координат у.,,...,
yis,...,yw, где is - случайные единичные векторы, у = tm- tm l. При этом выраже-
ние, определяющее приращение функции состояния, имеет вид:

(4.199)
Метод, использующий Байесов критерий, позволяет определить плотность
распределения /(VQ) вектора градиента функции состояния В об-
щем виде, для нормальной распределенной помехи, выражение для оценки
функции состояния имеет вид:
е- = е- + г- Ы^ехр
-4бо.-ДО°) 2
(4.200)
где AQ° - наиболее вероятное значение градиента функции состояния; о2 -
дисперсия градиента функции состояния.
Для определения наиболее вероятного направления градиента в этом слу-
чае строится распределение приращений по каждой координате вектора
функции состояния.
В методе гипотез и фильтрации вводится гипотеза о том или ином пове-
дении функции состояния, а затем все результаты контроля и прогнози-
рования, не удовлетворяющие принятой гипотезе, отфильтровываются.
Недостатком метода является низкая оперативность из-за инерционности
в получении результатов прогноза.
Прогнозирование изменений функции распределения параметров с преоб-
ладанием случайных составляющих заключается в вычислении статисти-
ческих характеристик и построении интегральных функций распределений
различных последовательностей временных рядов. Существенным недо-
статком метода является необходимость длительного наблюдения при ин-
дивидуальном прогнозировании для получения представительных выборок.
Также при построении одномерных временных рядов функций распределе-
ния для многомерного объекта выдвигается условие некоррелированности
между этими функциями, что на практике не всегда имеет место [6].
Для получения непрерывного прогноза используются оптимальные филь-
тры: фильтр Винера-Хопфа для прогнозирования стационарных процессов
387
Современная телеметрия в теории и на практике
и фильтр Калмана для нестационарных процессов. Принципиальными
трудностями применения этих фильтров для многомерных процессов явля-
ется громоздкость вычислительных процедур и необходимость наличия
представительных статистических данных.
Метод статистической регрессии позволяет предсказать одну или несколь-
ко величин yl..yq на основе информации о параметрах объекта k{.kn.
Величина У может представлять собой какой-либо обобщенный критерий
состояния или в частном случае будущие значения параметра k(tm+j),j=l.
z, t е.1Г Задача заключается в определении такой функции (модели) 1У(£),
зная которую можно с некоторой достоверностью судить об изменении про-
гнозируемой величины У в зависимости от аргументов ks, 5=1
Наиболее распространенной формой представления функций является ли-
нейное соотношение вида:
Y = aik\ + агкг + •• + cidkd + Q^	(4.201)
где as - неизвестные коэффициенты функции W, 5=1..d; е - некоторая
случайная величина, характеризующая совокупную погрешность измерений.
Функция W и ее коэффициенты определяются из условия достижения экс-
тремального значения некоторого выбранного критерия. В качестве тако-
го условия широко используется минимум среднеквадратической ошибки
(метод наименьших квадратов):
М [У - W(k)]2 = min.	(4.202)
Данный метод объективен, но требует соблюдения ряда условий для ус-
пешного применения. Прежде всего необходим достаточно большой объем
статистических данных, полученных на участке наблюдения. Кроме того,
необходимо знать вид детерминированной основы процесса или функции,
описывающей процесс изменения параметров. Самым большим недостат-
ком метода является невозможность предсказания качественного измене-
ния характера динамики технического состояния объекта, то есть скачка.
Довольно большой класс прогнозируемых случайных процессов описывает-
ся с помощью их канонического представления, когда функции, по которым
ведется разложение процесса, являются аналитическими, а в качестве при-
ближения процесса рассматривается конечное число членов канонического
разложения. В этом случае прогнозируемый процесс представляется в виде:
Л(О = ^(О+ЕИуд(/),	(4.203)
V =1
где mk(t) - математическое ожидание k(t); V - некоррелированные случай-
ные величины, математические ожидания которых равны нулю, v= 1, ..., £;
g(f) - неслучайные функции времени (координатные функции разложения).
388
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Воздействуя оператором прогнозирования, например W, на процесс k(t),
описываемый уравнением (4.203), можно предсказать его в моменты t +
eT2,;=l,...z:
Kt..,) =	= W {m, (/)}+ 2 V,W	ft)}.	(4.204)
V
Метод канонического разложения процесса - по своему принципу проме-
жуточный между методом наименьших квадратов (регрессией) и исполь-
зованием прогнозирующих фильтров. Основными недостатками данного
метода являются: невозможность учета скачков и необходимость в предста-
вительном объеме априорных статистических данных.
К общим недостаткам большинства вероятностных методов прогнозиро-
вания многомерных процессов можно отнести:
•	необходимость наличия представительного объема статистических
данных о процессах изменения параметров;
•	невозможность учета скачков на участке прогнозирования;
•	невозможность обойтись без математического описания процессов
изменения параметров.
В методах аналитического и вероятностного прогнозирования временная
экстраполяция функции состояния заложена в явном виде. При прогнози-
ровании состояния одного экземпляра - объекта время контроля ограничено
(до момента возникновения необходимости в прогнозировании), и в начале
применения по целевому назначению отсутствуют предпосылки для экс-
траполяции с помощью рассмотренных методов.
Данная проблема частично решается прогнозированием на основе теории
статистической классификации (распознавания образов), при которой про-
цесс установления экстраполяционных связей осуществляется на основе
априорной информации и называется процессом обучения экстраполяци-
онным связям.
Задача прогнозирования в рамках данных методов формулируется следу-
ющим образом: пусть в момент времени t0 или в ограниченный начальный
интервал эксплуатации объекта получены значения параметров ТС контро-
лируемой БС, характеризующих функцию состояния Q(&).
Необходимо по совокупности параметров kS координат многомерной фун-
кции состояния принять решение о принадлежности аппаратуры к тому
или иному классу 7?г При этом классы RK могут быть параметрическими,
временными и т.д. [6]. Данная постановка задачи предполагает, что п пара-
метров kS(t), характеризующих ТС системы, будут иметь идентичную k -
совокупность для БС с равным или примерно равным запасом работоспо-
собности. Иными словами, группаАБС, имеющая одинаковую долговечность,
389
Современная телеметрия в теории и на практике
будет отличаться от БС, не входящих в эту группу, вектором или функцией
состояния, которые описываются координатами (параметрами) ks> s=l,...,n.
При прогнозировании по результатам текущего контроля обнаружение и
распознавание экстраполяционных связей производится с помощью той
или иной модели. Таким образом, из общего круга решаемых при статис-
тической классификации вопросов можно выделить два основных: коли-
чественная оценка обучения экстраполяционным связям и формирование
оптимальной модели распознавания.
Осуществляя вероятностную и статистическую обработку векторов ke Rv
ke R2 ..., внутри каждого класса, можно описать 7?х, Х==1,...,г/, и-количество
классов с помощью эталонного вектора ки, ..., к„э или функции плотности
распределения ...,fg(k). В зависимости от того, как описывается класс
или как того требует постановка задачи, векторы k классифицируют либо
детерминированными, либо вероятностными методами.
Детерминированные методы целесообразно использовать тогда, когда век-
торы состояний, принадлежащие к различным классам, не сильно переме-
шаны. В этом случае вектор, определяемый в результате обработки текущей
информации прогнозируемого объекта, сравнивается с эталонными век-
торами и определяется наибольшая близость к одному из эталонных век-
торов. Основными мерами близости, применяемыми при статистической
классификации, являются квадрат расстояния, скалярные произведения,
корреляционные меры, расстояния по Хеммингу и др.
При наличии помех и случайной составляющей образы-объекты различных
классов оказываются существенно перемешанными, что затрудняет распо-
знавание. В этом случае целесообразно применять вероятностные методы
классификации. Мерой близости при этом является условная вероятность
P^kS/R.^ принадлежности диагностируемой БС по параметру kS к Х-му
классу. К методам распознавания при прогнозировании с использованием
статистической классификации относится метод потенциальных функций,
базирующийся на гипотезе о характере функций, разделяющих множества,
которые соответствуют различным образам (классам). Большим преиму-
ществом метода является то, что к нему можно свести многие известные
алгоритмы распознавания.
В случае использования дискриминантного анализа разделяющие повер-
хности определяются скалярными функциями gl(&), ..., gm(k), где k = {kv
..., kJ - вектор состояния диагностируемой БС. Функции g(k), названные
дискриминантными, выбираются так, чтобы для всех keRK выполнялось ус-
ловие gX(k) >gr(k), = 1, ...и, к*г. С помощью дискриминантных функций
можно получить стандартный и удобный для практического использования
390
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
метод задания разделяющих поверхностей. Однако для точного определе-
ния функций необходимо иметь полную априорную информацию об объ-
ектах, подлежащих классификации, что невозможно при прогнозировании
таких типов, как БС уникальных систем.
Существенным недостатком всех методов прогнозирования на основе ста-
тистической классификации можно считать обязательное наличие априор-
ной информации, на основе которой осуществляется установление времен-
ных экстраполяционных связей, то есть необходима выборка данных по
объектам одного типа с объектом, ТС которого необходимо прогнозировать.
Любой математический метод временной экстраполяции включает в себя
эвристические элементы, заключающиеся в разработке математической
модели и анализе результатов прогнозирования. Отсюда и некоторая сте-
пень субъективности, присущая данным методам и в конечном счете вли-
яющая на конечный результат. Математические методы требуют наличия
четко сформулированной математической модели поведения параметров
ТС прогнозируемой БС.
Выбор и обоснование математической модели является узловым вопросом
данных методов. В большинстве случаев эта далеко не тривиальная задача
требует специальных исследований (натурных испытаний определенного
класса подсистем сложного объекта, моделирования процессов функцио-
нирования и т.д.). Информация о динамике параметров ТС системы может
содержать помехи, вследствие чего задача оценки неизвестных параметров
модели существенно усложняется.
Все математические методы прогнозирования можно представить разо-
мкнутой системой, на вход которой поступают данные о контролируемом
в настоящий момент процессе изменения параметров ТС, а на выходе вы-
являются их прогнозируемые значения. Из-за разомкнутости данной сис-
темы все ошибки на ее входе непосредственно сказываются и на ее выходе,
то есть сказываются на точнЬсти прогноза, несмотря на то, что модель про-
цесса может быть выбрана правильно и все вычисления осуществляются с
необходимой точностью.
Большинство математических методов (за исключением методов модели-
рования физических процессов развития) не способны прогнозировать
скачки значений параметров ТС, то есть резкое качественное изменение
ТС. Также существенным недостатком является необходимость длитель-
ного исследования предыстории функционирования системы для построе-
ния точной прогнозной модели, при этом другого рода информация на на-
чальном периоде применения уникальной системы по целевому назначению
не используется.
391
Современная телеметрия в теории и на практике
Математические методы пространственной экстраполяции
Прогнозирование параметров состояния в виде временной экстраполя-
ции характеристик использует в качестве аргумента один параметр - вре-
мя. Пространственная экстраполяция связана с прогнозированием в про-
странстве характеристик и состоит в оценке значений векторного поля по
отдельным наблюдениям.
Содержательно задачу пространственной экстраполяции характеристик
технического состояния сложного объекта сформулируем следующим об-
разом. Пусть имеется конечное множество ситуаций - точек в пространстве
ситуаций X, где определены некоторые решения Y. То есть существует мно-
жество векторов {Z}.=ln, где 7=[Х,У], г=1, п. Компоненты вектора X ха-
рактеризуют параметры наблюдаемой ситуации (параметры квазипериода
основания прогноза), куда входят параметры ТС системы в момент наблю-
дения (либо до выдачи управляющих воздействий), факторы прогнозного
фона и управляющие воздействия (УВ).
Компоненты вектора Y характеризуют прогнозные параметры ТС систе-
мы. Тогда задача пространственной экстраполяции будет состоять в оценке
компонентов вектора У+1 с учетом знания Хп+1 в ситуации Zn+V информация
о которой в косвенном виде содержится в множестве {Z}.=1 п.
Решение задачи прогнозирования в такой постановке может рассматри-
ваться как результат n-наблюдений неизвестной функции F:
Y = F(X),	(4.205)
где У = (ур...,ут) - вектор следствия или прогнозных параметров ТС слож-
ного объекта; X =	- вектор причины или текущих параметров ТС,
факторов прогнозного фона и УВ.
Следовательно, задача построения прогнозной модели сводится к восста-
новлению неизвестной векторной функции F векторного аргумента X по
конечному числу п наблюдений. Выбор способа решения зависит от коли-
чества имеющейся информации о восстанавливаемой функции. Если число
наблюдений п достаточно велико по сравнению с размерностью к вектораХ,
задачу можно решить применением различных методов аппроксимации.
Однако наибольший практический интерес представляет ситуация, когда
число наблюдений мало, то есть n«k.
Данный случай соответствует прогнозу ТС уникальных и малосерийных
объектов, а также прогнозу редких, аварийных событий серийных изделий.
Одним из методов решения задачи пространственной экстраполяции ред-
ких событий является метод многомерной линейной экстраполяции.
К главным достоинствам метода можно отнести отсутствие необходимости
разработки громоздкой прогнозной модели ТС по результатам наблюдений.
392
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
Недостатки метода многомерной линейной экстраполяции заключаются в
линейности экстраполяции следствий Y в пространстве признаков ситу-
ации, линейности преобразований причинно-следственной зависимости F,
а также в требовании разработки специальных алгоритмов, учитывающих
значимость наблюдаемых ранее ситуаций и трудности учета старения пре-
цедентов из множества {Z}i4n-
Следует заметить, что метод пространственной экстраполяции лежит в рам-
ках подхода к прогнозированию по математической аналогии.
Методы моделирования процессов функционирования систем
Как правило, выделяют три метода моделирования: физическое, математи-
ческое и имитационное. Физическое моделирование позволяет воспроизво-
дить функционирование только отдельных элементов и подсистем объекта с
сохранением его физической природы. Имитируя предполагаемые воздействия
на эти элементы, можно прогнозировать их ТС в интересующих условиях.
Данный метод позволяет получить любую недостающую информацию
для построения прогнозной модели, однако в ряде случаев физическое
моделирование невыполнимо. Для уникальных транспортных конструк-
ций в целом, например, в силу дороговизны и невозможности имитации
ряда факторов реальных условий передвижения физическое моделирова-
ние неосуществимо. Кроме того, физическое моделирование может быть
неосуществимым для ряда уникальных объектов разового действия, так
как факт моделирования их функционирования есть факт их применения
по целевому назначению.
Математическое моделирование предполагает описание с помощью сово-
купности соотношений - уравнений, неравенств, логических условий про-
гнозных характеристик ТС. Недостатки математического моделирования
(мат. методы прогнозирования) типичны для недостатков методов времен-
ной экстраполяции.
В силу сложности объекта математическая модель функционирования мо-
жет быть слишком громоздкой для ее оперативного использования. Ими-
тационное моделирование применяется в том случае, когда исследуемые
процессы сложны и многообразны настолько, что математическая модель
становится слишком грубым приближением к действительности.
Q помощью имитационных моделей можно получить достоверный прогноз,
если имеется некоторая совокупность реальных исходных данных, доста-
точное количество априорной информации для построения структуры
прогнозной модели и не существует эмерджентности в функционировании
объекта, состоящего из множества подсистем.
393
Современная телеметрия в теории и на практике
Логические и структурные методы искусственного интеллекта
Логические и структурные методы прогнозирования рассматриваются пре-
имущественно в рамках одноименных методов распознавания образов, где
под образами подразумеваются прогнозируемые явления и процессы. Ис-
ключение составляет ряд методов прогнозирования, наиболее распростра-
ненный из которых основан на морфологическом анализе. Морфологичес-
кий анализ связан с анализом структурных взаимосвязей между объектами,
явлениями и концепциями. Морфологический подход представляет со-
бой упорядоченный способ рассмотрения различных возможностей бу-
дущих состояний и получения систематизированной информации по всем
возможным ТС наблюдаемого объекта. Основные этапы морфологичес-
кого прогнозирования:
1.	Предпрогнозная ориентация. Составление задания на прогнозное
исследование совместно с заказчиком, выбор информационного
массива, определение числа контрольных точек (ретроспективная
информация) и уровня отношений объекта прогнозирования, опи-
сание объекта на языке системы прогнозирования.
2.	Проведение поискового прогнозного исследования.
3.	Оценка перспективности возможных значений объекта прогнози-
рования и выбор наиболее перспективных.
4.	Проведение нормативного прогнозного исследования.
5.	Выдача и представление результатов прогнозного исследования.
6.	Организационные оценки (программный прогноз) и выработка уп-
равляющих решений в системе программно-целевого управления.
7.	Построение прогнозного цикла по мере поступления новой инфор-
мации с учетом коррекции в предпрогнозной ориентации.
Каждая из ^-характеристик ТС может иметь определенное множество
значений gH, gH,..., glwl. Совокупность характеристик может быть записа-
на в виде:
§12’	§1/711’
[§2Р §22’	§2^1’
... ... ...,
[§^1> §Z?2’ —’ §Ы?1*
Если в каждом векторе характеристик выделить по одному из элементов
и затем объединить их, то полученное множество значений будет пред-
ставлять возможный вариант решения-прогноза.
394
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
В морфологическом прогнозировании предполагается использование
пассивных элементов информационного массива - технических текстов
на естественном языке, содержащих качественную и количественную
информацию о предполагаемых событиях в динамике объекта прогно-
зирования. Тогда за основу описания динамики ТС объекта будут при-
ниматься явные реальные определения экспертами ситуаций, связан-
ных с данным типом объекта, а также сведения о логике работы
элементов его систем из эксплуатационно-технической документации.
Это, в свою очередь, может породить проблемы, относящиеся к пробле-
мам искусственного интеллекта и связанные с построением систем, по-
нимающих запросы на естественном языке, построением систем логи-
ческого вывода и т.д.
При построении системы прогнозирования в соответствии с морфологи-
ческим подходом возникают ограничения возможности выявления содер-
жания скачков в развитии явлений, характеризующих ТС объекта. Данные
ограничения связаны с проблемой эмерджентности -- несводимое™
свойств системы в целом к сумме свойств ее элементов, так как при пост-
роении вариантов решений относительно прогнозных ТС предусматрива-
ется декомпозиция прогнозирующих свойств наблюдаемой ситуации на
отдельные составляющие и их последующее объединение в возможное ре-
шение - прогноз.
Логические методы прогнозирования используют логические методы
распознавания прогнозируемых явлений и основаны на дискретном
анализе и исчислении высказываний. В общем случае применение ло-
гических методов прогнозирования предусматривает наличие логичес-
ких экстраполяционных связей прогнозируемого ТС с наблюдаемыми
ранее событиями, выраженных через систему булевых уравнений. При
этом переменные являются логическими признаками прогнозируемого
ТС, а неизвестные величины - классами прогнозируемых ТС. Предпо-
ложим, что множество ТС подразделено на классы Лр ..., &т, а для их
описания используются признаки Лр ..., Ап. В рамках логического мето-
да в общем случае можно предположить, что все сведения априорного
характера о классах ТС, выраженные в виде связи между высказыва-
ниями Q и А, а также в виде зависимостей только между признаками А
или только между классами Q, представлены в форме булевых соотно-
шений:
Q, - /,(Ль—9 Ли); Q; Л7(Ль---> Ли); Л/(Ль---9 Лн)-> о?;
Fl (А Ь •••? Ли? Оь*’*?Оаи) ///(Л 1? •••? Ли?	•• •? Cl,??)?
ф>,(Аь-,ап;	тг(Л1,-,^я)=Л-
>.(4.206)
395
Современная телеметрия в теории и на практике
Допустим, что наряду с (4.206) в результате проведения текущих наблюде-
ний получены данные, касающиеся множества признаков Av ..., Ап, прису-
щих ТС классов Qm, и что эти данные представлены булевой функци-
ей С(Ар .... An) = I, где I - знак универсально истинной функции. Задача
прогнозирования ТС сложного объекта состоит в том, чтобы определить,
какие выводы можно сделать относительно классов Пр ..., £2т на основе об-
щих сведений априорного характера (4.206) и апостериорной информации
G(A}...Ап). В итоге требуется определить неизвестную функцию Г(П)( ....
Qm), удовлетворяющую уравнению:
G (дД„)+ Ffo ,...,Qm)= I,	(4.207)
при ограничениях (4.206).
Подобные логические методы могут быть применены в следующих ус-
ловиях:
1.	Отсутствие сведений о количественном распределении областей
(ТС) в соответствующих пространствах признаков и наличие лишь
детерминированных логических связей между параметрами ситуа-
ций, предшествующих будущему ТС.
2.	Знание распределений числовых характеристик ТС в пространс-
тве признаков, с учетом того, что логические зависимости, свя-
зывающие наблюдаемые признаки и классы будущих ТС, слож-
ны и не поддаются непосредственному анализу.
3.	При реальной эксплуатации ряда объектов в условиях недостат-
ка априорной информации логические методы прогнозирования
могут быть применены в качестве методов экстраполяции в про-
странстве признаков подобных ситуаций. Однако в любом случае
их недостатком будет монотонность логического вывода и наличие
значительного элемента эвристики при введении элементарных
понятий и высказываний Q и А и построении на их основе булевых
соотношений вида (4.206).
4.	При практическом построении систем прогнозирования ТС слож-
ных объектов промышленности используются большие массивы
информации, характеризующие признаки прогнозных ТС. В итоге
возникают ограничения в оперативности применения логических
методов прогнозирования при их реализации на ЭВМ последова-
тельного типа.
Структурные (лингвистические) методы прогнозирования используют
специальные грамматики, порождающие языки, состоящие из предложе-
ний, каждое из которых описывает принадлежащее к конкретному классу
396
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
прогнозных ТС. В рамках данных методов процесс вывода прогнозных
суждений состоит из следующих этапов:
•	определение непроизводных элементов - основных элементов рас-
познаваемых классов, и их отношений для конкретных видов ТС
типичных систем;
•	проведение синтаксического анализа предложений, представляю-
щих наблюдаемые ситуации, с целью установления возможности
порождения некоторой грамматикой имеющееся описание прогно-
зируемого ТС.
Для получения грамматики, характеризующей структурную информацию
об изучаемом классе ТС, необходим ее вывод на основе заданного набора
обучающих ситуаций, представленных описаниями структурного типа.
Как правило, данный этап выполняется вручную. Основным достоинством
структурных методов, по-видимому, можно считать возможность прогно-
зирования скачков в динамике ТС наблюдаемой системы за счет формали-
зации и использования дополнительной информации самой различной
природы. Недостатки методов характерны для методов ИИ: трудности от-
работки языка описания прогнозируемых классов, извлечения информа-
ции из базы данных, а также сложность прогнозной модели.
В заключение анализа следует заметить, что классификация методов
прогнозирования представляет собой процесс со значительной долей эв-
ристики и ориентирована на выбор или синтез условно-оптимального ме-
тода (алгоритма) прогнозирования ТС объекта. Результаты анализа све-
дены в табл. 4.2, в которой рассмотренные методы проверяются на предмет
соответствия требованиям, необходимым для осуществления достовер-
ного и оперативного прогноза [6]. Требования сформулированы на осно-
ве анализа типичных подсистем уникальных промышленных установок
как объектов прогнозирования. Характеристики методов рассмотрены по
трехбалльной шкале. Следует заметить, что при применении систем по
целевому назначению не исключена ситуация, когда потребуется про-
гноз на совокупность параметров ТС отдельных подсистем, динамика и
оптимальные методы прогнозирования которых лежат вне требований и
характеристик, приведенных в табл. 4.2.
Так, например, некоторые параметры ориентации КА в пространстве могут
быть аналитически спрогнозированы с помощью элементарных выраже-
ний, а прогноз выхода углеводорода в колонне разделения фракций нефти
практически детерминированно зависит от температуры нагревательного
куба. Поэтому предполагается, что требования, выдвинутые методам, опи-
сывают худший вариант ситуации, в которой необходимо получить прогноз
на характеристики системы [6].
397
Таблица 4.2. Условная оценка основных методов прогнозирования
Требования, предъявляемые к методу прогнозирования технического состояния сложного объекта	Эврис- тические методы		Математические методы временной экстраполяции			Математические методы пространственной экстра- поляции	Методы моделиро- вания		Логические методы		Структурные (лингвисти- ческие) методы
	Индивидуальные экспертные оценки	Коллективные экспертные оценки	Аналитическое прогнозирование	Вероятностное прогнозирование	Статистическая классификация		Математическое моделирование	Физическое моде- лирование	Морфологический анализ	Вычислительные методы алгебры логики	
Способность выдавать многопараметрический прогноз с учетом эмерджентности явлений	-	±	-	-	+	+	+	+	-	-	-
Возможность оперативной обработки информации на ЭВМ последовательного типа	-	-	-	-	+	-	±	+	-	-	-
Нечувствительность к недостатку априорной информации о динамике ТС	+	+	-	-	-	+	-	+	+	-	+
Возможность обработки данных, представленных в разнотипных шкалах	+	+	-	-	-	+	+	+	+	-	+
Возможность прогнозирования не наблюдавшихся ранее событий в динамике ТС	+	+	-	-	-	+	-	+	±	+	+
Возможность строгой формализации и алго- ритмизации методик прогнозирования	-	-	+	+	+	±	±	+	+	+	±
Возможность учета старения информации в соответствии с принципом непрерывности прогнозирования	+	+	-	-	+	+	-	-	-	-	-
Возможность решения слабо формализован- ных задач процедуры прогнозирования	+	+	-	-	-	-	-	+	+	+	+
Трудности реализации метода с учетом затрат на разработку и эксплуатацию системы прогнозирования	+	-	-	-	±	+	-	-	-	-	-
Возможность аппаратной реализации мето- дик встроенными средствами в соответствии с эксплуатационно-техническими требованиями	-	-	+	+	+	+	+	-	-	-	-
Суммарный показатель предпочтения	1	1	-6	-6	0	4	-2	2	-2	-5	-1
Глава 4. Обработка и анализ телеметрической информации
По результатам анализа можно убедиться в предпочтительности исполь-
зования подхода пространственной экстраполяции в прогнозировании па-
раметров ТС больших систем. Основные недостатки данного подхода:
сравнительно низкая оперативность обработки информации на ЭВМ пос-
ледовательного типа, невозможность решения слабо формализованных
задач процедуры прогнозирования сложных объектов и относительно низ-
кая точность результатов.
Дальнейшее изложение книги в каком-то смысле посвящено компенсации
перечисленных недостатков путем использования нейросетевых алгорит-
мов экстраполяции в пространстве признаков состояний сложных объек-
тов, а также применением комбинированных алгоритмов ИИ.
Современная телеметрия в теории и на практике
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 4
1.	Степкин В. С., Шмыголь С. С. Автоматизированная обработка и ана-
лиз телеметрической информации. - МО СССР, 1980. - 515 с.
2.	Белицкий В. И. и др. Телеметрия. - МО СССР, 1984. - 465 с.
3.	Дмитриев А. К., Юсупов Р. М. Идентификация и техническая диагнос-
тика. - МО СССР, 1987. - 521 с.
4.	Технические средства диагностирования: Справочник / Под общ. ред.
В. В. Клюева -М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.
5.	Меньшиков В. А. Полигонные испытания. - М.: «КОСМО», 1999. -
237 с.
6.	Назаров А. В., Лоскутов А. И. Нейросетевые алгоритмы прогнозирова-
ния и оптимизации систем. - СПб: «Наука и Техника», 2003. - 384 с.
Глава 5
Стандарты и технологии
современной телеметрии
5.1.	КОНЦЕПЦИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
5.1.1.	Организаторы CCSDS
Использование стандартов значительно удешевляет разработку и эксплуа-
тацию сложных технических систем. Объективными причинами установ-
ления стандартов являются:
•	сокращение объема проектных работ при проектировании в рам-
ках стандарта;
•	гарантия правильности используемых стандартных проектных ре-
шений, основанная на подтверждении стандарта группой экспер-
тов в данной области;
•	возможность совершенствования и развития системы, подразуме-
ваемая стандартом.
Помимо улучшения проектных характеристик, применение многоцелевого
подхода и стандартизации вызвано необходимостью и предусматривает пе-
рекрестное обеспечение телеметрируемых систем, принадлежащих одной
организации (стране), системами передачи данных, принадлежащими дру-
гой организации (стране).
Стандартизация привела к развитию в нашей стране двух телеметрических
систем РТС 9 и БРС’4 (условно «медленная» телеметрия промышленных
объектов и «быстрая» — телеметрия, быстро меняющихся параметров).
402
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Современные телеметрические системы, разрабатываемые в настоящее
время в России, кроме указанных отечественных стандартов, поддержи-
вают также международные. Это стало особенно актуально после рас-
пада СССР, когда были потеряны наземные телеметрические средства,
расположенные на территориях союзных республик, и стала слишком
дорогой эксплуатация плавающих командно-измерительных пунктов,
раньше совместно обеспечивающих глобальность теленаблюдения. Кро-
ме того, в условиях наблюдающейся мировой интеграции и при наличии
в России уникальных технологий и средств выведения использование
международных стандартов передачи данных из космоса способствует
развитию промышленности и технологий в нашей стране.
В настоящее время в телеметрии в качестве международных приняты
стандарты консультативного комитета по космическим системам пере-
дачи данных - CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems).
Комитет был создан в 1982 г. решением международного симпозиума по
космическим системам передачи данных, проведенного в США по инициа-
тиве НАСА. Создание комитета CCSDS было вызвано необходимостью:
•	обеспечить заинтересованным организациям возможность обмена
технической информацией по разработке и применению стандартов
космических систем передачи данных;
•	выявить общие для всех космических систем передачи данных эле-
менты, стандартизация которых позволит повысить эффективность
выполнения задач космических полетов;
•	разработать технические рекомендации, служащие основой для стан-
дартов, которые позволят создавать максимально гибкие космичес-
кие системы передачи данных.
В работе комитета GCSDS могут участвовать на правах членов комитета
все заинтересованные национальные организации по исследованию кос-
мического пространства, выделяющие на нужды комитета определенные
ресурсы. На правах наблюдателей могут участвовать заинтересованные
организации, не выделяющие ресурсов. Все члены комитета CCSDS объ-
единены одним интересом - разработкой рекомендаций для установления
стандартов на совместные системы передачи данных, операций по обеспе-
чению полета и использованию результатов полета. В настоящее время
членами комитета CCSDS являются следующие организации:
•	Agenzia Spaziale Italiana (ASI) - Итальянское космическое агентство /
Италии;
•	British National Space Centre (BNSC) - Британский национальный
космический центр /Великобритания;
403
Современная телеметрия в теории и на практике
•	Canadian Space Agency (CSA) - Канадское космическое агентст-
во /Канада;
•	Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) - Национальный центр
космической деятельности /Франция;
•	Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Немецкий
аэрокосмический центр /Германия;
•	European Space Agency (ESA) - Европейское космическое агентст-
во /Европа;
•	Institute Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) - Институт косми-
ческих исследований /Бразилия;
•	National Aeronautics and Space Administration (NASA) - НАСА /США;
•	National Space Development Agency of Japan (NASDA) - Националь-
ное агентство космических разработок Японии /Япония;
•	Российское авиационно-космическое агентство /Россия.
На правах наблюдателей в работе комитета участвуют:
•	Austrian Space Agency (ASA) - Австрийское космическое агентст-
во /Австрия;
•	Центральный научно-исследовательский институт машиностроения
(ЦНИИМаш) /Россия;
•	Centro Tecnico Aeroespacial (СТА) - Центр аэрокосмической техни-
ки /Бразилия;
•	Chinese Academy of Space Technology (CAST) - Китайская академия
космических технологий /Китай;
•	Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
(CSIRO) - Межнациональная научная и индустриальная исследова-
тельская организация /Австрия;
•	Communications Research Centre (CRC) - Центр исследования ком-
муникаций / Канада;
•	Communications Research Laboratory (CRL) - Лаборатория исследо-
вания коммуникаций /Япония;
•	CSIR Satellite Applications Center (SAC) - Центр применения спут-
ников CSIR /ЮАР;
•	Danish Space Research Institute (DSRI) - Датский институт косми-
ческих исследований /Дания;
404
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
•	European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites
(EUMETSAT) - Европейская организация эксплуатации метеоро-
логических спутников /Европа;
-	• European Telecommunications Satellite Organization (EUTELSAT) -
Европейская организация спутников телесвязи /Европа;
•	Federal Service of Scientific, Technical & Cultural Affairs (FSST&CA) -
Федеральная служба по научным, техническим и культурным де-
лам /Бельгия;
•	Hellenic National Space Committee (HNSC) - Греческий националь-
ный космический комитет /Греция;
•	Indian Space Research Organization (ISRO) - Индийская организа-
ция космических исследований /Индия;
•	Industry Canada /Communications Research Centre (CRC) - Промыш-
ленность Канады / центр исследования коммуникаций /Канада;
•	Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) - Институт космо-
са и астронартики /Япония;
•	Институт космических исследований /Россия.
•	KFKI Research Institute for Particle & Nuclear Physics (KFKI) -
Исследовательский институт элементарных частиц и ядерной фи-
зики /Венгрия;
•	Korea Aerospace Research Institute (KARI) - Корейский институт аэ-
рокосмических исследований /Корея;
•	MIKOMTEK: CSIR (CSIR) /Южная Африка;
•	Ministry of Communications (МОС) - Министерство связи /Израиль;
•	National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) - Нацио-
нальная администрация океана и атмосферы /США;
•	National Space Program Office (NSPO) - Офис национальной косми-
ческой программы /Тайвань;
•	Space & Upper Atmosphere Research Commission - Комиссия по ис-
следованию космоса и верхних слоев атмосферы /Пакистан;
•	Swedish Space Corporation (SSC) - Шведская космическая корпора-
ция /Швеция;
•	United States Geological Survey (USGS) - Геологический обозрева-
тель Соединенных Штатов /США.
405
Современная телеметрия в теории и на практике
Следует отметить, что слово «стандарт» в этом разделе используется в до-
статочной степени условно. В России в настоящее время стандарт разра-
батывается, а существует только ГОСТ «Оборудование радиотелеметри-
ческое». Названные же международными стандарты CCSDS на самом деле
являются рекомендациями комитета CCSDS, которые основаны на стан-
дартизованной международной организацией по стандартизации модели
взаимодействия открытых систем. Впрочем, согласие с этими рекоменда-
циями 26-ти организаций из 19-ти стран служит лучшим подтверждением
тому, что они приняты в мире в качестве стандарта.
5.1.2. Понятие телеметрической системы
Целью функционирования телеметрической системы является надежная
и достоверная доставка измерительной информации от удаленных бор-
товых источников потребителям, находящимся в космосе или на Земле.
Источниками данных обычно являются научные, инженерные и вспомога-
тельные датчики или подсистемы объектов различного назначения.
Развитие микропроцессорной техники привело к созданию систем обработки
и передачи данных, в т. ч. бортовых, с большими пропускной способностью
и автономностью и с возможностью комплексирования задач обработки. Этот
факт наряду с современным уровнем развития информационных технологий
и возможностями финансирования позволяет создавать более эффективные
и гибкие телеметрические системы, обладающие большими возможностями
при меньших затратах ресурсов: меньшим энергопотреблением, меньшей за-
нимаемой полосой частот, меньшей вероятностью ошибки передачи.
Традиционно большая часть ресурсов телеметрических систем, за исклю-
чением сети передачи данных, использовалась для решения определенной
задачи и полностью состояла в ведении определенной организации.
Отсутствие стандартных решений таких задач приводило к тому, что сеть
передачи телеметрических данных «многоразового использования» должна
была выполнять самые низкоуровневые функции по передаче информации,
то есть обеспечивать доставку отдельного измерения или бита.
Целью разработки телеметрических систем CCSDS являлась не только ав-
томатизация передачи данных в пределах определенной системы, но и га-
рантия поддержки бортовых телеметрических систем, принадлежащих од-
ной организации (стране), наземными телеметрическими системами других
организаций (стран).
Для проектирования таких телеметрических систем в первую очередь необ-
ходима разработка более высокоуровневых услуг по передаче информации,
406
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
больше ориентированных на передачу данных между компьютерами и ти-
пичных для современных коммерческих, военных и других сетей.
Понятие телеметрическая система CCSDS включает две основных кате-
гории: пакетная передача телеметрических данных (пакетная телемет-
рия) и кодирование телеметрического канала.
Пакетная телеметрия - это стандартизованный и высокоавтоматизирован-
ный способ передачи данных, упрощающий процесс доставки потребите-
лям информации от бортовых источников. Она предоставляет механизм,
включающий стандартные структуры данных и протоколы, позволяющие
упростить разработку и расширить возможности телеметрической систе-
мы. Пакетную передачу телеметрических данных можно рассматривать как
два процесса:
•	«сквозная» передача наборов данных о прикладных процессах, про-
текающих в космосе, к пользовательским распределенным приклад-
ным процессам, протекающим в космосе или на Земле;
•	промежуточная передача этих наборов данных через элементы сис-
тем передачи данных, такие как, например, бортовые системы пере-
дачи данных, радиолинии, станции слежения, центры управления.
Кодирование телеметрического канала - это способ передачи данных по за-
шумленному радиоканалу, позволяющий безошибочно восстанавливать их
на приемной стороне. Дешифровка кодированных данных на приемной сто-
роне позволяет восстанавливать их с низкой вероятностью ошибки и тем
самым улучшает характеристики канала.
Совместно пакетная телеметрия и кодирование телеметрического канала обес-
печивают надежную и достоверную передачу телеметрической информации.
5.2. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
5.2.1.	Методика стандартизации телеметрических систем
Общая концепция
Для проектирования телеметрической системы удобно пользоваться мето-
дикой иерархического представления, позволяющей рассматривать систе-
му как формализованный набор процедур. Иерархическое представление,
407
Современная телеметрия в теории и на практике
в соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем
(Open Systems Interconnect model, OSI) Международной организации по
стандартизации (International Standards Organization, ISO) и Международ-
ного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (Consultative
Committee on International Telegraphy & Telephony, CCITT), логически
группирует функции телеметрической системы в уровни и устанавливает
связи между этими уровнями. Таким образом, иерархическое представле-
ние «раскладывает» сложную процедуру телеметрирования промышлен-
ных, научных объектов в наборы сравнительно простых функций, находя-
щихся в общих архитектурных слоях.
В пределах уровня обмен данными происходит согласно установленным
стандартным правилам, или «протоколам». При этом для каждого уровня
строго определено множество услуг, обеспечиваемых нижним по отноше-
нию к нему уровнем, и аналогично строго определено множество услуг,
предоставляемых данным уровнем верхнему по отношению к нему уров-
ню. Пока сохраняются межуровневые интерфейсы, любые процессы, про-
текающие в пределах уровня, «прозрачны» для других уровней и не влия-
ют на их работу. Следовательно, любой уровень может быть целиком
изменен или удален разработчиком в соответствии с требованиями поль-
зователя (заказчика) или технологическими требованиями без нарушения
целостности системы. Если при этом предоставлены интерфейсы сосед-
ним уровням, пользователь может взаимодействовать с системой на лю-
бом из ее уровней.
Таким образом, иерархическое представление является мощным инстру-
ментом разработки гибких структурированных систем, легко адаптируе-
мых к изменяющимся требованиям или новым технологиям. Эта методика
стандартизации телеметрических систем предполагает:
инкапсуляцию данных источника и формирование таким образом в реаль-
ном масштабе времени автономного «пакета» информации;
коммутирование независимых пакетов от различных источников данных
в общую фреймовую структуру для передачи на приемно-регистрирую-
щую станцию по радиоканалу с помехами;
доставку пользователю пакета источника.
Такая концепция обеспечивает следующие преимущества:
•	независимые автономные пакеты;
•	фиксированные и стандартные протоколы между источниками дан-
ных на борту и наземным пользователем;
•	межведомственная совместимость;
408
Г лава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
•	оптимальное, реальновременное распределение телеметрических
каналов с использованием механизмов приоритетного коммутиро-
вания;
•	практически безошибочный телеметрический канал, получаемый
благодаря использованию помехоустойчивого кодирования;
•	более дешевая и быстрая (по сравнению с традиционной телеметри-
ей) доставка данных пользователям.
Рис. 5.1 иллюстрирует телеметрическую систему, представленную в виде се-
миуровневой иерархической модели, построенной по образцу модели OSI.
Следует отметить, что рекомендации комитета CCSDS адресованы только
пяти нижним уровням этой модели.
Уровень	Услуги обеспечиваемые уровнем
Изменение физических величин, сбор данных,
анализ прикладных процессов
Преобразование физических величин в наборы
телеметрических данных
Пакетирование наборов телеметрических
данных, для последующей доставки
потребителям
Сегментация длинных пакетированных наборов
телеметрических данных для последующего
мультиплексирования
Мультиплексирование пакетов и сегментов во
фреймы, для последующей передачи по
физическому каналу
Кодирование фреймов для защиты от ошибок
передачи по зашумленнлму физическому каналу
Физическое соединение бортового передатчика
и наземной приемной аппаратуры
Рис. 5.1. Иерархическая модель
телеметрических служб
409
Современная телеметрия в теории и на практике
Уровень пакетирования
В рамках концепции пакетной телеметрии данные о процессах на борту те-
леметрируемого объекта формируются в блоки, называющиеся «исходный
пакет» или «пакет источника». Эти блоки сопровождаются основным за-
головком, содержащим поля идентификации пакета, контроля последова-
тельности пакетов, информацию о длине пакета и необязательным конеч-
ным полем контроля ошибок. Пакет источника - основной блок данных,
телеметрируемый пользователю с объекта. Он обычно содержит значимое
количество связанных данных от конкретного бортового источника.
Уровень сегментации
Для управления потоком данных и их передачи по каналам связи преду-
смотрена возможность сегментации больших блоков данных в меньшие:
пакеты источника (формат 1) или сегменты пакетов (формат 2). При этом
размер поля данных пакета или сегмента определяется интерфейсом с ниж-
ним уровнем.
Уровень фреймов
Фреймы необходимы для достоверной и надежной доставки пакетов источ-
ника или сегментов по телеметрическому каналу к сети передачи данных.
Предполагается несколько вариантов передачи данных. Один из них -
мультиплексирование фреймов в виртуальные каналы. Фрейм начинается
с синхромаркера и имеет основной заголовок. Основной заголовок содер-
жит поля идентификации фрейма, номера фрейма и поле, описывающее
состояние поля данных фрейма.
Поле данных фрейма может завершаться необязательной областью, вклю-
чающей поле операционного управления и поле контроля ошибок. Первое
из них обеспечивает выполнение некоторых функций обмена данными (на-
пример, калибровки бортового времени, подтверждения приема команд
и др.). Поле контроля ошибок позволяет обнаруживать и исправлять ошиб-
ки, которые могут появиться в процессе обработки и передачи данных.
Передача фреймов требует более низкоуровневых услуг, таких как модуля-
ция/демодуляция и кодирование/декодирование. .
Уровень кодирования канала
Так как одно из основных требований, предъявляемых к телеметричес-
кой системе, - безошибочная доставка данных (достоверность передачи),
410
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
для их защиты от ошибок, вызванных шумами радиоканала, использует-
ся кодирование канала. Для защиты данных от шумов физического ка-
нала битовый поток кодируется одним или обоими следующими кодами:
•	блочный код Рида - Соломона (255, 233);
•	сверточный код (7,12).
Благодаря комбинации этих кодов, канал практически освобождается
от ошибок. Данные, связывающие уровень кодирования канала со следую-
щим уровнем, - это канальные символы, выводимые кодером, то есть пос-
ледовательность информационных битов (битовый поток), в виде которой
представлены защищенные фреймы передачи.
Физический уровень
Канальные символы, поступающие на физический уровень, в частности
на уровень радиоканала, модулируют радиосигнал. Благодаря кодиро-
ванию, ошибки, которые возникают в процессе физического распростра-
нения радиосигнала, могут быть обнаружены и исправлены получателем.
Рис. 5.2 иллюстрирует взаимное отображение различных структур телемет-
рических данных.
Рис. 5.2. Структуры телеметрических данных
СВЯЗЬ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ И КОМАНДНОЙ СИСТЕМ
В рамках предлагаемой модели удобно рассматривать взаимодействие сис-
тем телеметрии и телеуправления. Оно может пониматься по-разному в за-
висимости от условий применения.
411
Современная телеметрия в теории и на практике
Пример «симметричного» взаимодействия систем показан на рис. 5.3. Две
системы работают совместно, гарантируя доставку пользовательских ди-
ректив с передающей стороны (Земли) до приемной стороны (бортового
оборудования) и доставку телеметрической информации в обратном на-
правлении. В этом примере показаны логические связи двух уровней сис-
тем: уровней фреймов (подтверждение получения фрейма) и уровней па-
кетирования (подтверждение получения пакета), — дважды замыкающие
контур управления.
Рис. 5.3. Взаимодействие систем телеметрии и телеуправления
Механизм управления потоком данных
Ряд систем передачи данных имеют ограниченную пропускную способность
и ширину полосы частот канала передачи, посредством которого бортовые
412
Г лава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
системы наблюдаемых объектов соединяются с системами сбора данных, на-
ходящимися в космосе или на Земле. Когда многочисленные пользователи
совместно используют один канал передачи данных, управление потоком
данных становится процессом, определяющим производительность системы.
Телеметрическая система должна гарантировать своевременную доставку
данных от всех источников, достаточно часто получающих доступ к этому
общему ресурсу (каналу), и управление буферизацией данных источников.
Длинные пакеты источника, получающие монопольный доступ к каналу на
недопустимо длительные для других источников периоды, могут создавать
проблемы в управлении потоком данных, связанные с необходимостью не-
обоснованно большой буферизации данных источников, для которых ка-
нал недоступен.
5.2.2. Управление потоком данных
Предусмотрено два способа решения проблемы управления потоком данных.
•	Формирование виртуальных каналов - механизм, предоставляющий
источнику или группе источников виртуально монопольный доступ
к физическому каналу, ограничивая пропускную способность на уров-
не фреймов. Каждый фрейм может быть идентифицирован как при-
надлежащий одному из восьми виртуальных каналов. Разбиение фи-
зического канала на виртуальные обычно используемся для разделения
источников или адресатов (получателей) с различными характерис-
тиками. Например, если бортовая аппаратура содержит оборудова-
ние, генерирующее очень длинные пакеты, и ряд других источников,
генерирующих пакеты меньшей длины, целесообразно выделить 1-му
отдельный виртуальный канал, а остальные мультиплексировать
во 2-й. Виртуальные каналы могут также использоваться для разделе-
ния пакетов, поступающих в реальном масштабе времени, и информа-
ции, поступающей с устройства записи, обеспечивая тем самым разде-
ление потоков данных, предназначенных разным адресатам.
•	Сегментация пакетов источника, при которой очень длинные паке-
ты источника, генерируемые прикладными процессами, разделяют-
ся на борту на меньшие пакеты фиксированной длины - сегменты
пакетов. Сегменты пакетов источника можно мультиплексировать
с «короткими» пакетами источника в один виртуальный канал,
обеспечив таким образом источникам данных непосредственный
доступ к этому виртуальному каналу. Для последующего восста-
новления пакетов источника на Земле используется информация
из заголовков фреймов и сегментов.
413
Современная телеметрия в теории и на практике
На рис. 5.4 показан поток телеметрических данных различных бортовых
источников, адресованных соответствующим получателям. В верхней
части рисунка изображены источники, генерирующие пакеты источников
и сегменты пакетов. Эти сегменты и пакеты мультиплексируются во фрей-
мы виртуальных каналов.
ФУНКЦИЯ
Генерация
исходных пакетов
Мультиплекси-
рование исходных
пакетов в фреймы
виртуальных
каналов
Мультиплексиро-
вание виртуальных
каналов в главный
канал
Кодирование и
модуляция
Демодуляция и
декодирование
Демультиплекси-
рование вирту-
альных каналов
Главный канал
Пакеты
источников
Физический канал
Физический канал
Главный канал
ДАННЫЕ
Фреймы
Синхронный
поток фреймов
Радиолиния
Синхронный
поток фреймов
Демультиплекси-
рование пакетов
Распределение
пакетов
соответствующим
потребителям
I
Вирту-
альный
канал О
Вирту-
альный
канал 1
Вирту-
альный
канал 2
ттгп ппш
Фреймы
Исходные
пакеты
I
Рис. 5.4. Пример потока телеметрических данных
Фреймы после помехоустойчивого кодирования передаются на приемно-
регистрирующую станцию, где демультиплексируются в виртуальные кана-
лы, из которых извлекаются сегменты пакетов и пакеты источника. Пакеты
источника доставляются соответствующим получателям с использованием
информации из поля идентификации заголовка пакета. Для доставки паке-
тов, время доставки которых ограниченно, используется информация вто-
ричного заголовка пакета.
Вся полнота преимуществ телеметрической системы CCSDS достигается
реализацией в проекте системы всех рекомендаций. В качестве альтернати-
вы система может быть построена так, чтобы использовать лишь отдельные
414
Г лава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
из уровней предложенной иерархической модели, но при этом должны быть
обеспечены межуровневые интерфейсы. Также рекомендации CCSDS не
препятствуют усовершенствованию телеметрических систем (выходу за рам-
ки предложенной модели), разрабатываемых различными организациями.
Однако соблюдение рекомендованных стандартов гарантирует возмож-
ность взаимной поддержки среди этих организаций и перекрестное теле-
метрическое обеспечение промышленных объектов, приводящее в итоге
к расширению возможностей телеметрирования.
5.3. СТАНДАРТЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПАКЕТНОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ
5.3.1.	Соглашения CCSDS
Рекомендации по пакетной телеметрии применяются различными органи-
зациями - членами CCSDS -- для выработки стандартов телеметрических
систем и с целью обмена телеметрической информацией в случае необходи-
мости поддержки друг друга.
Рекомендации включают всестороннюю спецификацию структур потоков
телеметрической информации, генерируемых на борту и направляемых
к средствам обработки. Рекомендации не определяют архитектуру или
конфигурацию средств обработки, а лишь описывают услуги, представ-
ляемые ими для обработки данных. Они представляют широкие возмож-
ности по форматированию данных, что обеспечивает высокую гибкость
бортовых систем сбора и обработки информации, однако совместимость
этих систем с концепцией пакетной телеметрии CCSDS достигается обя-
зательной реализацией определенного подмножества всех возможностей
форматирования.
В соответствии с современной практикой передачи данных, данные часто
группируются в 8-разрядные слова, которые называются октетами. Нуме-
рация октетов в общей структуре начинается с нуля.
В рекомендациях CCSDS по пакетной телеметрии использованы следую-
щие соглашения:
•	Фаза полета - термин, обозначающий период полета, в течение кото-
рого определенные характеристики телеметрической системы не ме-
няются. Последовательный переход между двумя фазами полета мо-
жет привести к прерыванию потока телеметрической информации.
415
Современная телеметрия в теории и на практике
Некоторые характеристики структур данных, определяемые рекомен-
дациями по пакетной телеметрии, должны оставаться неизменными
в течение фазы полета или во всех фазах полета. В этих случаях для
определения характеристик, которые должны остаться неизменны-
ми (идентификатор прикладного процесса, номер виртуального кана-
ла в главном канале и др.), часто используется термин «статические».
•	Октет - для идентификации каждого бита в N-битном поле данных
определен 1-й бит (слева на рис. 5.5). Следующий бит поля данных
размещен непосредственно за 1-м, и т. д. - до N-1-го бита. Если поле
используется для обозначения двоичного значения, его старший бит
должен быть 1-м битом этого поля - «бит 0» на рис. 5.5.
•	Неинформативные данные - данные, не несущие никакой информа-
ции, передача которых необходима для работы системы синхрониза-
ции. Комбинация разрядов неинформативных данных не определена.
Бит 0	Бит N-1
N - БИТНОЕ ПОЛЕ ДАННЫХ
Первый передаваемый бит
Рис. 5.5. Соглашение о нумерации битов
Рекомендации по пакетной телеметрии описывают структуры данных, ис-
пользуемые для транспортировки информации от бортовых источников на-
земным потребителям в соответствии со схемой, изображенной на рис. 5.4.
Сущность концепции пакетной телеметрии состоит в том, что данные мно-
гочисленных прикладных процессов, протекающих в телеметрируемых
системах, объединяются в блоки данных, соответствующие источникам,
которые затем передаются по каналу передачи так, чтобы принимающие
средства с высокой надежностью могли восстановить эти блоки из обще-
го потока сохранением их исходной последовательности.
Для реализации этих функций рекомендации по пакетной телеметрии
определяют две структуры данных источников: структуру фреймов пере-
дачи и процесс мультиплексирования, чередующий пакеты источников
различных прикладных процессов во фреймы.
5.3.2.	Пакет источника
Пакет источника, далее называемый также «пакетом», - структура данных, гене-
рируемая источником информации так, как необходимо для телеметрирования
416
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
заданного процесса. Последовательность данных при этом может быть пере-
менной или фиксированной длины. Содержание пакета источника, за исклю-
чением заголовка, идентифицирующего источник и характеристики пакета,
полностью зависит от прикладного процесса и реализации процедуры его те-
леметрирования.
Формат пакета источника допускает оптимизацию размера и структуры набо-
ра данных каждого прикладного процесса определенного источника данных
с минимумом ограничений, накладываемых системой передачи. Таким обра-
зом, возможна организация данных каждого источника независимо от других
источников и адаптация к режимам работы телеметрируемых систем.
Заголовок пакета источника содержит идентификатор прикладного про-
цесса, необходимый для адресации пакета соответствующему получателю,
и информацию о длине пакета, последовательности пакетов и о других
характеристиках пакета. Необязательный вторичный заголовок преду-
смотрен для стандартизации передачи меток времени и вспомогательных
данных.
Пакет источника объединяет блок измерительных и вспомогательных дан-
ных бортового прикладного процесса и подлежит передаче от соответству-
ющего источника одному или нескольким наземным потребителям.
Пакет источника состоит из следующих основных областей:
•	48-битовый основной заголовок пакета (обязателен);
•	поле данных пакета переменной длины.
Минимальная длина пакета - 7 октетов, максимальная - 65549 октетов.
Пакет, не несущий информации в поле данных, называется неинфор-
мационным пакетом. Ряд пакетов, последовательно сгенерированных
но одному запросу (по команде), может обозначаться как группа пакетов
источника.
На рис. 5.6 показана структура пакета источника. Ниже описаны поля пакета.
Основной ЗАГОЛОВОК ПАКЕТА ИСТОЧНИКА
Обязательный основной заголовок пакета состоит из четырех полей, распо-
ложенных в следующей последовательности:
•	номер версии пакета (3 бита);
•	идентификатор пакета (13 битов);
•	поле управления последовательностью пакетов (16 битов);
•	длина пакета (16 битов).
14 Зах. 861
417
Современная телеметрия в теории и на практике
Номер версии пакета
Номер версии пакета содержится в битах 0 + 2 заголовка. Это 3-разряд-
ное поле идентифицирует пакет как пакет источника и имеет значение
«ООО».
Номер версии необходим для идентификации пакетов как пакетов источ-
ника или сегментов пакета источника. Остальные возможные значения
этого поля зарезервированы для введения в будущем новых структур
данных.
3-й - 15-й биты первичного заголовка содержат поле идентификации паке-
та. Это 13-разрядное поле разделено на три подполя:
•	индикатор типа (1 бит);
•	флаг вторичного заголовка (1 бит);
•	идентификатор прикладного процесса (И битов).
Идентификатор типа
3-й бит основного заголовка содержит идентификатор типа и имеет зна-
чение «О». Идентификатор типа введен в заголовок пакета в связи с тем,
что для телеуправления CCSDS рекомендует подобную структуру пакета,
и необходим для различия данных телеметрии и телеуправления.
Основной заголовок пакета	Поле данных пакета
								
Номер версии пакета	Идентификация пакета			Контроль последовательности пакета		Данные о длине пакетов	Вторичный заголовок пакета	Данные источника
	Индикатор типа	Флаг вторичного заголовка пакета	Идентификатор прикладного процесса	Флаги группировки	Счетчик последователь- ности пакетов			
ООО	0	1, если вторичный заголовок пристствует, иначе 0		01 - первый пакет группы 00- промежу- точный пакет группы 10 - последний пакет группы 11 - без группировки		Количество октетов в поле данных пакета минус 1		
3 бита	1 бит	1 бит	11 битов	2 бита	14 битов	2 октета	перем	перем
		2 октета		2 октета				1...65536 октетов
Рис. 5.6. Пакет источника
418
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Флаг вторичного заголовка
4-й бит основного заголовка содержит флаг вторичного заголовка и указы-
вает на его наличие или отсутствие в пакете. Наличие в структуре пакета
вторичного заголовка индицируется значением «1» флага. Флаг вторично-
го заголовка должен оставаться статичным в течение фазы полета. Для не-
информационных пакетов он должен иметь значение «О».
Идентификатор прикладного процесса
Биты 5-15 основного заголовка содержат идентификатор прикладного про-
цесса. Он должен быть различен для разных процессов, телеметрируемых
по одному главному каналу. Для неинформационных пакетов идентифи-
катор должен иметь значение «все единицы». Идентификатор назначается
при разработке бортовой информационно-телеметрической системы, при
этом некоторые значения идентификаторов могут резервироваться.
Поле контроля последовательности пакетов
16-разрядное поле контроля последовательности пакетов (биты 16-31)
подразделяется на два подполя:
•	флаги группирования (2 бита);
•	счетчик последовательности пакетов источника (14 битов).
Флаги группирования
Флаги группирования устанавливаются следующим образом:
•	«01» - для первого пакета в группе;
•	«00» - для промежуточного пакета, принадлежащего группе;
•	«10» - для последнего пакета в группе;
•	«11» - для пакета, не принадлежащего группе.
При сегментации пакетов источника флаги группирования используются
как флаги сегментации. Таким образом, группирование и сегментация па-
кетов источника взаимно исключают друг друга.
Необходимо отметить, что длина пакетов источника в виртуальных кана-
лах, по которым также передаются сегменты пакетов, не может превышать
определенного значения.
Предназначение групп пакетов и порядок их группирования не рассматри-
вается рекомендациями CCSDS.
419
Современная телеметрия в теории и на практике
Счетчик последовательности пакетов
Биты 18-31 содержат счетчик последовательности пакетов, нумерующий
каждый пакет источника конкретного процесса во всей последовательнос-
ти его пакетов (пакетов, обозначенных одним идентификатором). Счет дол-
жен вестись непрерывно, и счетчик не должен сбрасываться до достижения
максимального значения - «16384». Назначение счетчика - восстановле-
ние исходной последовательности пакетов источника в возможных случаях
ее нарушения при передаче.
Счетчик обычно используется вместе с кодом времени, так как его значений
может быть недостаточно для однозначного определения исходного поло-
жения пакета в общем потоке пакетов одного источника. Следовательно,
разрешение кода времени должно быть достаточным, чтобы его можно было
использовать вместе со счетчиком последовательности пакетов, то есть код
времени должен увеличиваться хотя бы на единицу за один полный цикл
счетчика последовательности пакетов.
Если счетчик последовательности пакетов будет сброшен до достижения
максимального значения и заново проинициализирован, правильно вос-
становить последовательность пакетов будет невозможно, что приведет
к потере информации.
Поле длины пакета
Биты 32-47 основного заголовка пакета представляют значение длины
пакета. Это 16-разрядное поле содержит двоичное значение в диапазоне
от 1 до 65536, равное числу октетов в поле данных. Другие ограничения
на длину поля данных определяются длиной сегмента.
Поле данных пакета источника
Непосредственно за основным заголовком следует обязательное поле данных
пакета. Оно должно включать по крайней мере одну из следующих областей:
•	вторичный заголовок пакета (переменной длины);
•	поле данных пакета источника (переменной длины).
Если присутствует вторичный заголовок, он следует 1-м в поле данных.
Если поле данных пакета источника отсутствует, вторичный заголовок обя-
зателен. Наличие или отсутствие вторичного заголовка указывается фла-
гом вторичного заголовка поля идентификации пакета.
Если вторичный заголовок присутствует, то он состоит из следующих
подполей:
420
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
•	только подполя данных вторичного заголовка;
•	только подполя кода времени вторичного заголовка;
•	подполя кода времени вторичного заголовка и поля данных вторич-
ного заголовка.
Вторичный заголовок предоставляет определенный CCSDS-способ разме-
щения вспомогательных данных (время, внутренний формат поля данных
и т. д.) в пакете источника.
Область кода времени вторичного заголовка состоит из целого числа ок-
тетов и содержит код времени в формате, рекомендуемом CCSDS (“Time
Code Formats”, Blue Book, CCSDS 301.0-B-2, April 90 или более поздние из-
дания).
В соответствии с рекомендациями CCSDS, код времени состоит из необяза-
тельной P-области (преамбулы), идентифицирующей и характеризующей
код, и обязательной Т-области.
Форма представления кода времени статична во всех фазах полета. Если же
допускается изменение характеристик прикладного процесса и, соответс-
твенно, формы представления кода времени, P-область обязательно должна
присутствовать. P-область или присутствует, или отсутствует во всех фазах
полета. При ее наличии она должна предшествовать Т-области.
При таких операциях, как архивирование, сортировка, обработка дан-
ных, коррелирование данных источника с другими наборами данных, для
недвусмысленной идентификации пакета счетчик последовательности па-
кетов приходится конкатенировать с кодом времени.
Поле данных вторичного заголовка
Поле данных вторичного заголовка состоит из целого числа октетов. Оно мо-
жет содержать любые вспомогательные данные, необходимые для расшиф-
ровки или интерпретации информации поля данных пакета источника. Со-
держание и формат этих данных не определяется рекомендациями CCSDS.
Поле данных пакета источника
Если поле данных пакета источника присутствует, оно следует непосредс-
твенно за вторичным заголовком пакета (в случае его наличия) или за по-
лем описания длины пакета. Поле данных пакета источника обязательно,
если отсутствует вторичный заголовок пакета, и не обязательно, если вто-
ричный заголовок присутствует. Длина поля данных пакета источника пе-
ременна и содержит целое число октетов.
421
Современная телеметрия в теории и на практике
5.3.3.	Сегмент пакета
Один из механизмов управления потоком данных - передача длинных па-
кетов источника в виде ряда более коротких сегментов пакета. Это позво-
ляет исключить «захват» канала одним источником. Структура данных,
обеспечивающая этот механизм, - сегмент пакета источника (далее также
«сегмент»).
Процесс сегментации применяется к полю данных пакетов источника. Сег-
мент содержит блоки данных из поля данных пакета источника. Для пере-
дачи пакета источника в виде сегментов необходимы два или более сегмен-
та. Сегмент состоит из следующих полей:
•	обязательный заголовок сегмента (6 октетов);
•	поле данных сегмента, содержащее:
а)	сегменты пакета источника, за исключением последних LSegment
битов;
б)	остаток сегментированного пакета источника.
Длина поля данных сегмента 256, 512 или 1024 октета. Сегментация
не применяется к пакетам источника, принадлежащим группе пакетов
источника, и к неинформационным пакетам. Последнее утверждение
означает, что длина неинформационного пакета не может превышать
длины сегмента.
На рис. 5.7 и 5.8 показаны соответственно структура сегмента и пример сег-
ментации пакета источника.
Основной ЗАГОЛОВОК СЕГМЕНТА
Основной заголовок сегмента обязателен и состоит из 3-х полей:
•	номер версии (3 бита);
•	идентификатор сегментации (13 битов);
•	поле контроля последовательности сегментов (32 бита).
Структура данных первичного заголовка сегмента соответствует структуре
основного заголовка пакета источника.
Номер версии
Номер версии содержится в битах 0-2 заголовка и должен иметь значе-
ние «100».
422
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Поле идентификации сегмента
Поле идентификации сегмента образуют биты 3-15 заголовка. Это поле
идентично по форме и содержанию полю идентификации пакета источника.
Поле контроля последовательности сегментов
32-разрядное поле контроля последовательности сегментов (16-й - 47-й
биты заголовка) делится на 3 подполя:
•	флаги сегментации (2 бита);
•	счетчик сегментов (14 битов);
•	поле остаточной длины пакета (16 битов).
Поле содержит информацию, необходимую для восстановления пакетов
из сегментов пакетов.
Флаги сегментации
Биты 16-й и 17-й заголовка представляют собой флаги сегментации. Ком-
бинация этих битов интерпретируется следующим образом:
•	«01» - сегмент, содержащий 1-й блок поля данных пакета источника;
•	«00» - сегмент, содержащий промежуточный блок поля данных па-
кета источника;
•	«10» - сегмент, содержащий последний блок (остаток) поля данных
пакета источника.
423
Современная телеметрия в теории и на практике
Счетчик последовательности сегментов
18-й - 31-й биты заголовка содержат счетчик последовательности сегмен-
тов пакета источника. Их назначение соответствует тем же битам заголовка
пакета.
Остаточная длина пакета
Так как длина последнего сегмента пакета может быть неравной значению
LSegment, 32-й - 47-й биты заголовка сегмента несут информацию о коли-
честве еще не переданных октетов поля данных пакета источника (точнее,
количество непереданных октетов минус один октет). Это значение вклю-
чает октеты, входящие в данный сегмент.
PH = Primary Header of Source Packet
SH = Segment Header
In this example LSEGMENT = 512 octets,
which leads, for the given Source Packet
Length, to R = 52 octets.
Flags = 00 I
Length = 563 Last segment
FsiT 52 Octets I
f—
•-Version = 100
Flags = 10
Length = 51
Рис. 5.8. Сегментация пакета - источники
Поле данных сегмента
Непосредственно за полем длины остатка пакета источника следует поле
данных сегмента, содержащее один из блоков поля данных пакета источ-
424
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
ника. Поле данных пакета источника разбивается на блоки без пропус-
ков данных, перекрытий блоков и заполнений другой информацией.
Длина поля данных имеет значение LSegment, равное 256, 512 или 1024
октета в зависимости от идентификатора длины сегмента в основном за-
головке фрейма передачи, за исключением последнего сегмента, длина
поля данных которого равна длине последнего блока данных поля дан-
ных пакета источника.
5.3.4.	Другие типы пакетов
Кроме пакетов источника и сегментов пакетов, непосредственно в поле дан-
ных пакета могут передаваться пакеты трех других типов:
•	пакеты сетевого протокола CCSDS (NP);
•	пакеты интернет-протокола (IPv4);
•	пакеты инкапсуляции.
Сетевой протокол CCSDS (NP) и интернет-протокол (IPv4)
Номер версии: 001 для сетевого протокола и 0100 для интернет-протоко-
ла. Эти значения определены в [X] и [X]. Общая длина: биты 3-15 пакета
сетевого протокола и биты 16-31 интернет-протокола, значение которых
определяет полную длину пакета. Версия: первые три бита инкапсуляци-
онного пакета содержат номер версии пакета. Их значение -«111». Иден-
тификатор протокола: биты 3-5 определяют протокол, блоки данных
которого передаются. Идентификатор протокола может использовать-
ся для направления инкапсулированных данных от или к точке доступа
к службе (см. п. 5.4). Комбинация этих битов интерпретируется следу-
ющим образом:
•	«000» - загрузка (инкапсулированные данные отсутствуют);
•	«100» - блок данных протокола IPv6;
•	«111»- произвольно соединенные октеты.
0	2 3	15	0	3 4	16	31
Версия
001
Общая
длина
Версия
0100
Общая
длина
Рис. 5.9. Пакеты сетевого протокола CCSDS
и интернет-протокола IPv4
425
Современная телеметрия в теории и на практике
Инкапсуляционный пакет (IPv4)
О 2 3	5 6	7 8	...39
Version 111	Protocol ID	Length of Length	LengthS >Leng^' < < contd
Encapsulated
data unit
Рис. 5.10. Инкапсуляционный пакет
Другие возможные значения поля зарезервированы для будущих версий.
Размер поля длины пакета: последние два бита первого октета определяют
длину поля, содержащего значение длины поля данных в октетах:
•	«01» - 1 октет;
•	«10» - 2 октета;
•	«И» - 4 октета.
Два нулевых бита в этом поле означают: 1) поле длины поля данных не су-
ществует, 2) инкапсулированных данных нет, 3) длина пакета инкапсуля-
ции - один октет. Такие однооктетные самоидентифицирующиеся пакеты
используются для загрузки поля данных фрейма (так как фрейм - струк-
тура фиксированной длины) в случаях, описанных в п. Х.Х., и являются
неинформативными данными.
Поле длины пакета: 0, 1 или 4 октета, содержащие значение полной дли-
ны инкапсуляционного пакета. Хотя такие пакеты вряд ли будут использо1
ваться в Космосе, четырехоктетное поле длины пакета позволяет протоколу
IPv6 Jumbograms размещать в пакете до 4,294,967,296 битов. Поле, в случае,
если оно однооктетное, не должно содержать значений «00000000» - ноль
и «00000001» - единица.
В поле данных инкапсуляционного пакета содержатся инкапсулирован-
ные данные.
5.3.5.	Фрейм передачи
Фрейм передачи - структура, позволяющая передавать пакетизированные
данные по зашумленному радиоканалу. Заголовок фрейма передачи (далее
также «фрейм») несет информацию, необходимую наземной системе пе-
редачи данных для того, чтобы направить его соответствующему адресату.
Для данного физического канала в течение всех фаз полета длина фрейма
передачи статична.
426
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Пакеты источника переменной длины, асинхронно генерируемые много-
численными прикладными процессами, протекающими на борту КА, для
надежной и достоверной передачи на Землю мультиплексируются в соот-
ветствии с приоритетами источников в синхронный поток кодированных
фреймов передачи.
Основной заголовок фрейма содержит поля, наличие которых позволяет
пакеты источника и/или сегменты пакетов переменной длины мультиплек-
сировать во фрейм фиксированной длины. Во фрейме может содержаться
несколько коротких пакетов или сегментов или часть длинного пакета, пе-
редаваемого в двух или более фреймах. Всё поле данных фрейма использу-
ется для передачи пакетов или сегментов.
Пакеты и сегменты могут начинаться и заканчиваться в любом месте поля
данных фрейма. Нет необходимости подбирать размеры пакетов и порядок
их следования для формирования фреймов передачи.
В случаях, когда для сохранения синхронизации между передающей и при-
емной сторонами при отсутствии данных источников необходимо передать
фрейм, предусмотрен механизм «неинформационных» пакетов (самоиден-
тифицирующийся однооктетный инкапсуляционный пакет, см. п. 5.3.3).
В заголовке фрейма также содержится информация, необходимая для из-
влечения пакетов стандартизованным и независимым от пакетов способом
и для сборки пакетов из сегментов. Кроме пакетов, фрейм может нести ин-
формацию в двух необязательных полях: вторичном заголовке и поле опе-
рационного управления. Вторичный заголовок используется для передачи
данных фиксированной длины, специфичных для конкретного объекта.
Поле операционного управления используется для обеспечения функ-
ционирования системы телеуправления и других систем. Кроме пакетов,
фрейм может нести «конфиденциальную» информацию, то есть специаль-
ную информацию, для которой неприемлемы рекомендации по структури-
рованию данных.
Таким образом, фрейм обеспечивает передачу следующих структур данных:
•	пакеты источника;
•	сегменты пакетов источника;
•	неинформационные пакеты;
•	конфиденциальную информацию.
Фрейм передачи содержит следующие поля:
•	основной заголовок (48 битов);
•	необязательный вторичный заголовок 16, 24,..., 512 битов;
427
Современная телеметрия в теории и на практике
•	поле данных (переменной длины);
•	необязательное поле операционного управления;
•	поле защиты от ошибок (обязательное, если не применяется код
Рида-Соломона).
Все фреймы с одним номером версии и идентификатором объекта, переда-
ющиеся по одному физическому каналу, составляют главный канал.
В большинстве случаев понятие главный канал идентично понятию физичес-
кий канал. Однако в случае, если по одному физическому каналу передаются
фреймы с разными идентификаторами объектов (например, при передаче че-
рез ретранслятор), несколько главных каналов мультиплексируются в один
физический канал. Главный канал объединяет восемь виртуальных каналов.
Основной ЗАГОЛОВОК ФРЕЙМА ПЕРЕДАЧИ
Основной заголовок фрейма передачи состоит из пяти полей:
•	номер версии фрейма (2 бита);
•	идентификатор фрейма (14 битов);
•	счетчик фреймов главного канала (8 битов);
•	счетчик фреймов виртуального канала (8 битов);
•	поле состояния поля данных (16 битов).
Несмотря на то что пакетные телеметрические системы подразумевают воз-
можность защиты от ошибок на уровне пакетов источника или их сегмен-
тов, для достижения всей полноты их преимуществ необходим высокока-
чественный канал передачи, сформированный так, чтобы пакетированные
данные могли быть адаптивно вставлены во фрейм. Структура фрейма пе-
редачи изображена на рис. 5.11.
Имеется пять основных функций основного заголовка фрейма передачи:
•	идентификация блока данных поля фрейма передачи;
•	идентификация объекта;
•	мультиплексирование виртуальных каналов в главный канал;
•	подсчет фреймов виртуальных каналов и главного канала;
•	передача указательной и другой управляющей информации, необхо-
димой для извлечения из поля данных фрейма пакетов и сегментов
переменной данных.
428
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Номер версии фрейма передачи
Номер версии фрейма содержится в битах 0-1 основного заголовка фрей-
ма. Это поле имеет значение «00», что и идентифицирует данный блок дан-
ных как фрейм. Другие возможные значения этого поля зарезервированы
для будущих версий фреймов и в настоящее время не используются.
Идентификатор фрейма
14-разрядный идентификатор фрейма (биты 2-15) делится на три подполя:
•	идентификатор объекта;
•	идентификатор виртуального канала;
•	флаг поля операционного управления.
429
Современная телеметрия в теории и на практике
Таким образом, это поле идентифицирует источник фреймов, принадлежа-
щий ему виртуальный канал и содержит информацию о формате пакетов.
Идентификатор объекта (например, космического аппарата) (2-й-11-й бит)
назначается секретариатом CCSDS и обозначает аппарат, передающий
фреймы. Одному аппарату может быть назначено несколько идентифика-
торов, соответстйующих различным периодам эксплуатации (разработка
объекта, передача моделируемых потоков данных, режим эксплуатации и
т. п.).
12-й - 14-й биты идентифицируют каждый из восьми возможных вирту-
альных каналов. Порядок следования фреймов разных виртуальных кана-
лов в главном канале может меняться.
Флаг поля операционного управления (15-й бит заголовка) указывает на
наличие или отсутствие в структуре фрейма этого поля. Наличие этого
поля идентифицируется значением «1» флага, отсутствие - значением «О».
Флаг поля операционного управления статичен в течение фазы полета для
главного канала или для виртуальных каналов.
Счетчик фреймов главного канала
8-разрядное поле счетчика фреймов (биты 16-23) содержит двоичное
значение порядкового номера фрейма в общем потоке фреймов. Счет ве-
дется последовательно от 0 до 255. До достижения значения «255» счет-
чик не должен быть сброшен. Преждевременный сброс счетчика приводит
к потере информации.
Счетчик фреймов виртуального канала
8-разрядное поле счетчика фреймов виртуального канала (биты 24-31
основного заголовка) служит для обозначения номера фрейма в последо-
вательности фреймов виртуального канала. Его значение для виртуаль-
ных каналов аналогично значению основного счетчика фреймов для глав-
ного канала.
Поле состояния поля данных фрейма
Это 1-6-разрядное поле (бит 32-47) состоит из пяти подполей:
•	флаг вторичного заголовка (1 бит);
•	флаг синхронизации (1 бит);
430
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
•	флаг порядка пакетов (1 бит);
•	идентификатор длины сегментов (2 бита);
•	указатель заголовка 1-го пакета.
Это поле указывает, присутствует ли вторичный заголовок, несет информа-
цию о типе данных, содержащихся во фрейме, и вместе со счетчиком фрей-
мов виртуального канала информацию, необходимую для извлечения паке-
тов или сегментов из поля данных фрейма.
Флаг вторичного заголовка фрейма
Флаг вторичного заголовка (32-й бит основного заголовка фрейма) ука-
зывает на наличие или отсутствие в структуре фрейма необязательного
вторичного заголовка. Наличие вторичного заголовка индицируется зна-
чением «1» флага, отсутствие - значением «О». Для главного канала флаг
вторичного заголовка должен оставаться статичным в фазе полета.
Флаг синхронизации
Флаг синхронизации (33-й бит заголовка) имеет значение «О», если в поле
данных находятся пакеты источника, сегменты или неинформационные
данные. При передаче во фрейме других данных (конфиденциальной ин-
формации) флаг имеет значение «1». Флаг статичен для виртуального ка-
нала в течение фазы полета.
Исходные блоки данных пакетов или сегментов обычно вставляются в поле
данных фрейма выровненными по границам октетов. Начало пакета/сег-
мента может не совпадать с началом поля данных. Начало заголовка паке-
та/сегмента в поле данных фрейма указывается значением поля указателя
1-го заголовка.
Если границы октетов не выровнены с границами поля данных, то пере-
даваемые в структуре фрейма данные рассматриваются как конфиден-
циальные.
Флаг порядка пакетов
Флаг порядка пакетов (34-й бит заголовка) при значении «О» флага син-
хронизации устанавливается в «О» и может принимать произвольное зна-
чение при значении «1» флага синхронизации. Данный бит зарезервирован
для будущих версий форматов данных.
431
Современная телеметрия в теории и на практике
Идентификатор длины сегмента
Если в данном виртуальном канале поддерживается сегментация пакетов
источника, идентификатор длины сегмента (бит 35-й и 36-й заголовка) со-
держит значение длины сегмента:
•	«00» - 256 октетов;
•	«01» - 512 октетов;
•	«10» - 1024 октета.
Если в данном виртуальном канале передаются только несегментирован-
ные пакеты, поле содержит значение «11».
Последний сегмент в поле данных фрейма может быть короче, чем 256, 512
или 1024 октета.
Указатель заголовка 1-го пакета
Указатель заголовка 1-го пакета (биты 37-47) содержит двоичное значе-
ние номера 1-го октета, 1-го в поле данных пакета или сегмента. Все окте-
ты поля данных последовательно нумеруются начиная с нуля. Положение
в поле данных следующих пакетов или сегментов вычисляется с использо-
ванием информации об их длине, содержащейся в их заголовках. Данный
указатель используется только при значении «О» флага синхронизации.
Если фрейм не содержит заголовков пакетов/сегментов, указатель устанав-
ливается в «111...И», если во фрейме содержатся только неинформацион-
ные пакеты - «11...10».
Вторичный заголовок фрейма передачи
Необязательный вторичный заголовок фрейма передачи следует непо-
средственно за основным заголовком и индицируется значением «1» флага
вторичного заголовка. Вторичный заголовок состоит из двух подполей:
•	поле идентификации вторичного заголовка (8 битов);
•	поле данных вторичного заголовка (8,16,..., 504 бита).
Вторичный заголовок связан с виртуальным или главным каналом и имеет
фиксированную длину в связанном канале.
Поле идентификации делится на два подполя:
•	номер версии вторичного заголовка (2 бита);
•	поле длины поля данных (6 битов).
432
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Номер версии в настоящее время имеет значение «00», другие возможные зна-
чения зарезервированы на будущее. Информация о длине поля данных вто-
ричного заголовка необходима для определения начала поля данных фрейма.
Все вторичные данные заголовка содержатся в поле данных вторичного
заголовка.
Длина вторичного заголовка статична для виртуального или главного кана-
ла в фазе полета.
Поле данных фрейма передачи
Непосредственно за вторичным (если он присутствует) или основным
заголовком следует поле данных фрейма. Оно содержит данные любого
из четырех определенных выше типов.
Пакеты и сегменты помещаются в поле данных без промежутков в прямом
порядке их следования. В противном случае передаваемые данные считают-
ся конфиденциальными и соответственно помечаются.
Если пакетов или сегментов недостаточно для заполнения всего поля дан-
ных, оно заполняется неинформационными пакетами.
Поле операционного управления
Необязательное поле операционного управления занимает четыре октета
поля данных. Его наличие указывается значением «1» соответствующего
флага. Поле операционного управления статично по отношению к данному
виртуальному или главному каналу в течение фазы полета.
1-й бит - это флаг типа поля, принимающий следующие значения:
«0», если поле операционного управления содержит данные «Тип 1», то есть
слово управления командной линии;
«1», если поле оперативного контроля содержит данные «Тип 2».
При значении «1» этого бита следующий бит должен быть установлен в «0»,
если содержание поля определяется разработчиком телеметрической сис-
темы. Значение «0» следующего бита зарезервировано для использования
в будущем.
Поле предназначено для обеспечения некоторых оперативных функций
телеуправления, таких как, например, проверка и калибровка бортового
времени. В настоящее время рекомендации определяют только использо-
вание поля «Тип 1».
433
Современная телеметрия в теории и на практике
5.4. ПОМЕХОУСТОЙЧИВАЯ ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ
ДАННЫХ
Под кодированием телеметрического канала понимается специальная обра-
ботка данных перед их отправкой потребителю, позволяющая защитить их
от повреждений, вызванных шумами физического канала.
Сущность помехоустойчивого кодирования заключается во введении на пе-
редающей стороне канала связи определенной избыточности с целью после-
дующего использования этой избыточности на приемной стороне для обна-
ружения ошибок и, если это возможно, исправления обнаруженных ошибок.
Помехоустойчивое кодирование заключается в том, что вместе с k информа-
ционными разрядами по каналу дополнительно передается r=n-k провероч-
ных символов, позволяющих обнаружить возможные ошибки в и-разрядной
кодовой комбинации.
Таким образом, помехоустойчивый код отличается от обычного кода тем, что
в канал могут быть переданы не все 2п возможных кодовых комбинаций, а
лишь некоторые из них, а именно 2к, обладающие определенным свойством
и называемые разрешенными. Остальные неиспользуемые комбинации, чис-
ло которых 2" -2*, называют запрещенными. Коды, которые не только
обнаруживают сам факт ошибки, но и номер разряда кодовой комбинации,
в котором произошла ошибка, называются кодами с исправлением ошибок.
Известно большое число кодов, позволяющих успешно бороться с различны-
ми видами помех. Все эти коды обладают избыточностью, величина которой
в той или иной степени определяет их корректирующие возможности. Раз-
нообразие помехоустойчивых кодов отображается на рис. 5.12, где показана
их классификация.
Блочными кодами называются коды, в которых каждому сообщению ста-
вится в однозначное соответствие блок из п символов или блоки с разным
числом символов. В соответствии с этим блочные коды делятся на равно-
мерные и неравномерные. В практике передачи информации наибольшее
распространение получили равномерные коды с постоянным числом сим-
волов п , что обеспечивает более надежную синхронизацию передающей
и приемной аппаратуры канала связи.
Непрерывными кодами называются такие коды, у которых операции кодиро-
вания и декодирования совершаются непрерывно. Эти коды представляют
собой непрерывную последовательность информационных и проверочных
символов. К непрерывным кодам относятся рекуррентные колы, у которых
значения проверочных символов и их место в кодовой комбинации опреде-
ляются по рекуррентной формуле:
434
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
v =-q
(5.1)
Значение правой части (5.1) определяется по modw, что означает, что
после проведения обычных вычислительных операций удерживается лишь
остаток от деления полученной величины на основание кода т (например,
7 по mod 4 дает 3). Осуществление операций по mod m необходимо для
того, чтобы полученные значения символов принадлежали алфавиту
канала, то есть принимали значения 0,1, К
Рекуррентное соотношение (5.1) на z-м шаге кодирования группе симво-
лов входной последовательности Z?z_^,K ,6,,К ,bj+s_} ставит в соответс-
твие / символов кодовой последовательности 6/0,К на (z + 1)-m
шаге группе символов	,bM,K >bj+s, смещенной на одну позицию,
ставит в соответствие следующие / символов кодовой последовательности
ИТ.л. Таким образом, на каждый символ информационной
последовательности приходится / символов передаваемой кодовой после-
довательности.
Правые части рекуррентных соотношений (5.1) представляют как бы сверт-
ку соответствующего участка информационной последовательности, поэто-
му эти коды называют также сверточными кодами. Непрерывные (сверточ-
ные) коды могут быть как систематическими, так и несистематическими.
Систематические сверточные коды получаются в частном случае, когда для
одного из значений индекса j (например, j = 0 ) коэффициенты в форму-
ле (5.1) принимают значения:
'v0 _
O.npuv Ф 0
\.при\ = 0
и, соответственно, [3/0 = Z),. В этом случае передаваемая кодовая последова-
тельность имеет вид	,	] 5 К , + | /_] > К
Основной положительной особенностью непрерывных (сверточных) кодов
является их способность исправлять групповые ошибки, то есть искажения
нескольких подряд следующих символов при сравнительно простой коди-
рующей и декодирующей аппаратуре, строящейся на основе рекуррентных
соотношений типа (5.1).
В соответствии с рассматриваемой классификацией помехоустойчивых ко-
дов разделимые коды подразделяются на систематические и несистемати-
ческие. Систематическими кодами называются такие коды, у которых сум-
ма по mod 2 двух разрешенных комбинаций кода дает новую комбинацию
такого же кода.
435
Современная телеметрия в теории и на практике
Несистематические коды этим свойством не обладают. Примерами
систематического кода являются циклические коды (CRC) и коды Хем-
минга. Для систематического кода используется обозначение (п, k), где п -
число всех разрядов кодовой комбинации, k - число информационных
разрядов.
Примером несистематического кода является код с контрольным сумми-
рованием, в котором проверочные разряды представляют запись суммы
единиц в кодовой комбинации. Широкое применение в практике передачи
информации нашли систематические блочные коды. Наиболее известны
среди них циклические коды. Коды Хемминга являются разновидностью
циклических кодов, но исторически появились раньше многих других ныне
известных кодов и сыграли большую роль в развитии теории помехоустой-
чивого кодирования.
Другой важной разновидностью циклических кодов являются коды Боуза -
Чоудхури -Хоквингема (БЧХ).
Помехоустойчивые коды
Блочные	I	I	Непрерывные
"Г...........	—
Равномерные	I	I	Неравномерные
—Т'^"1;	------
Разделимые	|	|	Неразделимые
Систематические I I Несистематические
Циклические I I Коды Хемминга
Рис. 5.12. Классификация помехоустойчивых кодов
Достоинства любых из обсуждаемых подходов к кодированию, выбор их
комбинаций, а также конструкций кодеров и декодеров в данном разделе
не обсуждаются. Применение кодирования при передаче данных по радио-
линии необязательно, однако при его использовании необходимо руководс-
твоваться следующими рекомендациями.
436
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Применение только базового сверточного кода со скоростью кодирования
1/2 (далее «сверточный код X* или «сверточный код»), в зависимости
от требований к каналу, может само обеспечить нужную помехоустойчи-
вость. Для каналов связи, ограниченных по полосе частот и не допускаю-
щих ее увеличения при использовании сверточного кода 1/2, применяется
выбивающий сверточный код, менее расширяющий полосу частот.
Код Рида - Соломона (Reed-Solomon Code, RS-код) также менее увеличи-
вает полосу частот, чем сверточный код Х> и, кроме того, позволяет обнару-
живать некорректируемые ошибки.
Если допускается использование полосы частот, большей чем полоса час-
тот, необходимая для передачи данных, кодированных сверточным кодом
или RS-кодом, можно применять комбинацию сверточного кода (как внут-
реннего) с RS-кодом (как внешним). Если допускается использование ёще
большей полосы частот, возможно применение турбо-кода.
Для улучшения структуры потока битов и с точки зрения упрощения син-
хронизации на приемной стороне рекомендуется применение псевдорандо-
мизации.
Сверточное кодирование
Базовый сверточный кодер. Применение базового сверточного кода со ско-
ростью кодирования 1/2 и длиной связки 7 хорошо подходит для каналов
с преобладающим нормально распределенным шумом (гауссовских кана-
лов). Если этот код применяется с выбиванием (см. п. 5.5.2), достигаются
более высокие скорости кодирования, хотя при этом ухудшается помехоус-
тойчивость. Декодер сверточного кода наиболее хорошо описывается деко-
дером максимального правдоподобия (Виттерби).
Примечание. Базовый сверточный код сам по себе не гарантирует достовер-
ную передачу символов, поэтому в случае применения схем мультиплекси-
рования, например, с четырехкратной фазовой манипуляцией необходимо
использование псевдорандомизации, если не предусмотрено других спосо-
бов рандомизации.
Примечание. Если вследствие зашумленности канала корректирующая спо-
собность декодера окажется недостаточной, на его выходе могут появиться
необнаруживаемые ошибки, поэтому при кодировании сверточным кодом
фреймов передачи или блоков данных виртуального канала для подтверж-
дения правильности их приема необходима проверка циклическим кодом
CRC, если не используется RS-код, позволяющий обнаруживать некоррек-
тируемые ошибки.
437
Современная телеметрия в теории и на практике
Спецификация базового сверточного кода
CCSDS рекомендует использовать базовый сверточный код со следующи-
ми характеристиками:
1.	Условное обозначение	Сверточный коде максимальным правдоподобием (Вит- терби) декодирования
2.	Скорость кодирования	1 /2 бит на символ
3.	Длина связки	7 битов
4.	Образующие многочлены	G- 1111001 (171e); G2- 1011011 (1338).
5.	Инверсия символов	На выходе G2
Элемент единичной задержки.
•	Для каждого входного бита генерируется два выходных символа,
соответствующих двум положениям переключателя S1: положе-
нию 1 и положению 2.
•	При поступлении на вход кодера 1-го входного бита переключа-
v тель S1 находится в положении 1.
•	© Сумматор по модулю 2. -*£>-
•	Инвертор.
Выходные символы базового сверточного кода 1/2 - это последователь-
ность: С,(1),С2(1),С,(2),С2(2),...
Если используется система модуляции с подавлением несущей NRZ-L или
NRZ-M, выход сверточного кодера может использоваться непосредственно
для модуляции радиочастоты. Если необходимо преобразование модулиру-
ющего сигнала от NRZ-L к NRZ-M, то оно должно быть выполнено до входа
438
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
сверточного кодера. Соответственно, обратное преобразование (на прием-
ной стороне) должно быть выполнено после выхода декодера.
Сверточный кодер с выбиванием битов
Скорость кодирования сверточного кодера (г = 1/2) и фиксированная
длина связки (к - 7) могут быть изменены для уменьшения минимально
необходимой полосы частот. Это изменение достигается выбиванием би-
тов из выходной последовательности кодера по некоторому правилу Р(г).
Выбивание - это удаление некоторых символов, производимых кодером,
перед передачей. Выбивание битов уменьшает требуемую для передачи
полосу частот, но тем самым ухудшает характеристики канала. Четыре раз-
личных схемы выбивания битов предоставляют выбор большинства необ-
ходимых скоростей кодирования (2/3,3/4,5/6 или 7/8) и соответствующих
уровней коррекции ошибок. На рис. 5.14 изображена схема сверточного ко-
дера с выбиванием битов.
Примечание. При применении выбивающих схем инверсия символов G2
пропускается, поэтому, если достаточная Для работы системы синхрониза-
ции плотность потока битов не обеспечена другими методами, необходимо
Рис. 5.14. Блок-диаграмма сверточного кодера с выбиванием битов
Спецификация сверточного кода с выбиванием битов
1.	Условное обозначение	Сверточный код с выбиванием битов с максимальным правдоподобием (Виттерби) декодирования
2.	Коэффициенты	1/2, при выбивании - 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8
3.	Длина связки	7 битов
4.	Образующие многочлены	G1 = 1111001 (171 ОСТ) G2 = 1011011 (133 ОСТ)
5.	Инверсия символов	Нет .
439
Современная телеметрия в теории и на практике
Структура кода для любой из скоростей кодирования определяется следу-
ющей таблицей:
Правило выбивания: 1 - передаваемый символ 0 - непередаваемый символ	Скорость кодирова- ния	Выходная последовательность
С,: 10 С?: И	2/3	С,(1)С2(1)С2(2)
С,: 101 С2:110	3/4	С,(1)С2(1) С2(2)С,(3)
С,: 10101 С; 11010	5/6	С,(1) С2(1) С2(2)С,(3) С2(4)С,(5)
С,: 1000101 С2: ИНОЮ	7/8	С,(1) С2(1) С,(2) С2(3) С2(4) С,(5) С2(6) С,(7)
Турбо-коды
Турбо-коды — это систематические блочные коды с кодовыми группами
большой длины (сотни-тысячи битов). Широкий класс турбо-кодов запа-
тентован France Тё1ёсот and Telddiffusion de France под патентом США 5,
446, 747 и в других странах.
Разработчики систем передачи данных, использующих турбо-код, должны
направлять запросы о лицензиях. Разностное линейное кодирование (то
есть сигнал NRZ-M) не рекомендуется применять после турбо-кодера, так
как программное декодирование требует разностного дискриминатора со
значительной потерей характеристик. Дифференциальное кодирование пе-
ред турбо-кодером не может применяться, так как коды не прозрачны. Это
означает, что фазовые неоднозначности должны быть разрешены при син-
хронизации фреймов.
Спецификация турбо-кода
Турбо-кодер представляет собой комбинацию двух простых сверточных ко-
деров. На вход кодера поступает фрейм из ^-информационных битов. Два
составляющих турбо-кодер рекурсивных сверточных кодера, каждый из
которых имеет небольшое количество состояний, генерируют проверочные
символы. Вместе с проверочными символами в формировании выходной
последовательности турбо-кодера участвуют незакодированные входные
информационные биты.
Главная особенность турбо-кодера - поразрядное чередование ^-информаци-
онных битов перед выходом кодера. Рекомендуется следующая спецификация:
440
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
1.	Тип кода	Систематический параллельно-связывающий турбо-код
2.	Число составляющих кодеров	2 (плюс незакодированная информация, делающая код систематическим)
3.	Тип составляющих кодеров	Рекурсивные сверточные кодеры
4.	Число состояний каждого составляю- щего сверточного кодера	16
5.	Номинальные скорости кодирования	г ’ 1/2,1/3,1/4 или 1/6
6.	Длины информационных блоков приведены в табл. 5.1. Они выбраны для совместимости с RS-кодами с различными глубинами чередования.	
Из-за необходимости передачи символов завершения блока кода
(определенных в табл. 5.2 как отношение длины информационного блока
к длине блока кода) реальная скорость кодирования несколько меньше
номинальной.
Таблица 5.1. Длины информационных блоков
Длина информационного блока к , битов	Глубина чередования кода Рида - Соломона I	Замечания
1784 (223x1 октетов) 3568 (223x1 октетов) 7136 (223x1 октетов) 8920 (223x1 октетов) 16384	1 2 4 5 Неприменимо	Для низких скоростей передачи Для самой большой помехоустойчивости
Длины передаваемых блоков кода п = k+4/r, соответствующие скоростям
передачи, приведены в табл. 5.2. Далее под термином «скорость кодирова-
ния» всегда понимается номинальная скорость кодирования.
Перестановка символов в турбо-коде.
Перестановка - основная особенность турбо-кодера и декодера. Переста-
новка в турбо-коде - это побитовое чередование всего блока данных. В от-
личие от посимвольного «прямоугольного» чередования в RS-коде переста-
новка в турбо-коде чередует отдельные биты и напоминает беспорядочное
их перемешивание.
441
Современная телеметрия в теории и на практике
Таблица 5.2. Длины кодовых блоков
Длина информа- ционного блока к	Длина блока кода П			
	Скорость коди- рования 1 /2	Скорость ко- дирования 1 /3	Скорость кодирова- ния 1 /4	Скорость кодирования 1/6
1784	3576	5364	7152	10728
3568	7144	10716	14288	21434
7136	14280	21420	28560	42840
8920	17848	26772	35696	53544
16384	32776	49164	65552	98328
Перестановка в любом блоке длины k задается переупорядочиванием це-
лых чисел 1, 2, К , к по следующему алгоритму.
Сначала вычисляется к как к = кхк2. Параметры кх и к2 приведены в
табл. 5.3. Далее для получения номеров перестановок л(S) вычисляются 5,
от 5 - 1 до 5 = к . В уравнениях, приведенных ниже, [xj означает макси-
мальное целое, большее или равное х, a pq - одно из следующих про-
стых чисел:
Р\ =31; р2 =37; /?3 =43; /?4 =47; р5 =53; р6 =59; Р1 =61; р8 =67;
Таблица 5.3. Параметры кода кх и к2
Длина информационного блока	к\	к1
1784	8	223
3568	8	223*2
7136	8	223*4
8920	8	223*5
16384	См. замечание	
w = (5-1) mod 2
s-l
z = ---
2к2
к
t = (19z + l)mod 2-^-
442
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
g = /mod8 + l
с - (p4j + 2 lw)mod k2
(	к \
л($)=2 / + с—+1 \-т
к	2 J
Примечание. Указанные параметры в настоящее время изучаются и могут
быть переопределены.
Интерпретация полученных чисел такова: s-й бит входного блока становит-
ся k(s)-m выходным битом, как показано на рис. 5.15.
Прямые и обратные образующие вектора
Выходные последовательности компонентов турбо-кодера определяются
обратными связями сдвиговых регистров компонентов кодера - «обратны-
ми» векторами GO и комбинацией их выходов - «прямыми» векторами G1,
G2 и G3 (см. рис. 5.18).
•	Обратный вектор для всех скоростей кодирования GO = 10011.
•	Прямой вектор для обеих составляющих кодера и скоростей кодиро-
вания 1/2 и 1/3 Gl = 11011. При скорости кодирования 1/2 все сим-
волы, кроме символов с выходов G1 обоих компонентов кодера, вы-
биваются. Без выбивания скорость кодирования составляет 1 /3.
•	Прямые вектора для скорости 1/4: G2 = 10101, G3 = 11111, для 1-го
сверточного кодера и G1 = 11011 для 2-го сверточного кодера. Ско-
рость кодирования на этих выходах без выбивания составляет 1/4.
•	Прямые вектора для скорости 1/6: G1 = 11011, G2 - 10101, G3 = 11111
для 1-го сверточного кодера, G3 - 11111 для 2-го сверточного коде-
ра. Скорость кодирования на этих выходах без выбивания составля-
ет 1/6. Блок-диаграмма турбо-кодера показана на рис. 5.16.
443
Современная телеметрия в теории и на практике
Каждый входной блок ^-информационных битов помещается в буфер бло-
ка, И биты читаются из буфера в двух разных порядках для двух состав-
ляющих кодера. На вход 1-го кодера поступают биты в исходном порядке,
на вход 2-го составляющего кодера поступают переставленные биты. Сле-
дующий считываемый бит для входа А определяется простым счетчиком,
а для входа В некоторым правилом перестановки.
Составляющие коде-
ра - это нерекурсивные
сверточные кодеры, об-
разованные сдвиговыми
регистрами с обратными
связями. Обратные связи
регистров задаются век-
торами GO, а прямые свя-
зи - векторами Gl, G2 и
G3. Ключевое отличие
этих кодеров от базового
сверточного кодера - ре-
курсивность, то есть на-
личие обратных связей.
Рис. 5.16. Блок-диаграмма турбо-кодера
Спецификация блока турбо-кода
Оба компонента кодера, показанные на рис. 5.16, инициализируются нулями
во всех регистрах. Их полный цикл составляет к + 4 битов, за который они
производят выходной блок кода из (& + 4)/г кодовых символов, где г -
номинальная скорость кодирования. Во время передачи первых г би-
тов, входные переключатели находятся в положении «вниз», как пока-
зано на рис. 5.14? для загрузки входных данных.
Во время поступления на вход последних четырех битов информационного
блока они находятся в положении «вверх», замыкая входы элемента «ис-
ключающее или» и тем самым размыкая обратную связь сдвигового регист-
ра. Вследствие этого через четыре такта регистры заполняются нулями.
4'44
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
В течение этих четырех тактов кодер продолжает выводить ненулевые сим-
волы кода, в т. ч. кодируемый выход (выход ОА), добавляя таким образом
четыре бита к г информационным битам в блок кода.
Выходы кодеров, как показано в правой части рис. 5.16, мультиплексируют-
ся для выбранной скорости кодирования и формируют блок кода. Для ско-
рости кодирования 1/3 выходная последовательность образуется выходами
О А, 1А, 1В; для скорости кодирования 1/4 - О А, 2 А, ЗА, 1В, для скорости
кодирования 1/6 - ОА, 1А, 2А, ЗА, 1В, ЗВ. Все эти последовательности фор-
мируются в течение г + 4 тактов.
Скорость кодирования 1 /2 достигается выбиванием каждого второго бита
с выходов 1А и 1В в следующей последовательности: первым выбивается
выход 1 А, вторым — 1В и т. д. Всего выбивается (г + 4)^2 битов.
Блоки турбо-кода, сформированные из этих последовательностей для че-
тырех скоростей передачи, изображены на рис. 5.17.
Rate 1/2 Turbo Codeblock
М-----------—-------------►
out Оа	out 1а	out Оа	out 1b
out	out	out	out
Оа	1а	Оа	1b
f............ ............ т
1 st transmitted	Last transmitted
symbol	symbol
1st transmitted
symbol
Last transmitted
symbol
Рис. 5.17. Блоки турбо-кода при различных скоростях кодирования
445
Современная телеметрия в теории и на практике
Синхронизация блока турбо-кода
Синхронизация кодера и декодера происходит благодаря наличию в бито-
вом потоке производимых кодеров синхромаркера, присоединяемого к каж-
дому блоку турбо-кода (см. п. 5.5.5). Синхромаркер - это определенная
комбинация двоичных разрядов, предшествующая блоку турбо-кода.
Син-хронизатор блоков на приемной стороне ожидает синхромаркер в те-
чение времени передачи блока кода и синхромаркера. Посыле его приема на-
чинается декодирование блока.
Рис. 5.18 иллюстрирует блок турбо-кода с присоединенным к нему синхро-ч
маркером. Заметьте, что длина блока турбо-кода обратно пропорциональна
поминальной скорости кодирования.
Rate-Dependent
Attached Sync Marker
Turbo Codeblock
1	◄	►	
32/г bits	K/r bits	4/г bits
r = 1/2, 1/3, 1/4 or 1/6 (nominal code rate)
К = Telemetry Transfer Frame Length or Information Block Length
Рис. 5.18. Блок турбо-кода с присоединенным
синхромаркером
Синхронизация фреймов
Синхронизация фреймов или блоков кода необходима для обнаружения их
границ в битовом потоке, извлечения их из потока, последующего декоди-
рования RS-кода или турбо-кода и последующей обработки фреймов. Кро-
ме того, этот синхронный прием необходим для синхронизации генератора
псевдослучайной последовательности, если используется псевдорандоми-
зация и синхронизации декодера сверточного кода.
Синхронизация блоков RS-кода или турбо-кода (или фреймов, если ка-
нал не кодирован) достигается использованием блоков кода фиксирован-
ной длины или фреймов с синхромаркерами между ними. Приемная сто-
рона входит в синхронизм после распознавания двоичной комбинации
синхромаркера в битовом потоке телеметрического канала. Распознава-
ние синхромаркера сигнализирует о вхождении в синхронизм и в даль-
нейшем проверяется.
Если канал не кодируется RS-кодом или турбо-кодом, кодовые символы,
включая синхромаркер, подаются прямо на вход декодера. Если используется
446
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
внутренний сверточный код вместе с внешним RS-кодом, синхромаркер ко-
дируется внутренним, но не внешним кодом, так как его структура должна
оставаться неизменной.
Кодирующая система, использующая внутренний сверточный код и вне-
шний RS-код, синхронизируется по синхромаркеру, извлеченному из би-
тового потока канальных символов (то есть до любого декодирования) или
из последовательности битов, декодированных внутренним кодом (то есть
из области символов RS-кода). Система с турбокодированием синхрони-
зируется по синхромаркеру, полученному из битового потока канальных
символов, то есть из области символов турбо-кода.
Установлены следующие синхромаркеры:
Скорость кодирования	Синхромаркер
Без кодирования	1ACFFC1D
1/2	034776С7272895В0
1/3	25D5C0E8990F6C94S1BF79C
1/4	034776С7272895В0 FCB88938D8D76A4F
1/6	25D5C0E8990F6C9461BF79C DA2A3F31766F0936B9E40863
Длина синхромаркеров для каналов без турбо-кодирования - 32 бита (4 ок-
тета), для каналов с турбо-кодированием - 32/г битов ( 4/г октетов).
Синхромаркер предшествует блоку RS-кода и блоку турбо-кода или фрейму,
если канал не кодирован турбо-кодом или RS-кодом. Синхромаркер следую-
щего блока должен следовать сразу за блоком кода, переданным за предыду-
щим синхромаркером, то есть не должно быть никаких битов между ними.
Синхромаркеры выбраны так, что они не являются частью пространства ко-
довых данных RS-кода или турбо-кода. Это предотвращает возможную си-
туацию перезаписи 2-го идентичного синхромаркера в поле проверочных
символов, если данные периодически повторяются, например 101010.ко-
торая нарушила бы синхронизацию приемной стороны. Также синхромар-
кер не подается на вход турбо-кодера или декодера (см. рис. 5.18).
Синхромаркер вложенного потока данных
Если в полях данных фреймов содержатся другие потоки данных (напри-
мер, поток фреймов, записанных на магнитную ленту и воспроизведенных
в обратном направлении), могут потребоваться другие структуры синхро-
маркеров. Синхромаркер вложенного потока для его отличия от синхро-
маркера основного потока установлен следующим: 352EF853.
447
Современная телеметрия в теории и на практике
Псевдорандомизация
Для поддержания битовой (символьной) синхронизации принимаемого те-
леметрического потока любая наземная система сбора данных требует, что-
бы входной сигнал имел минимально необходимую плотность потока би-
тов. Это означает, что для нормальной работы приемника поток данных
должен быть в достаточной степени случайным. Псевдорандомизация - на-
иболее предпочтительный метод обеспечения работоспособности всех ком-
бинаций систем модуляции и кодирования в возможных ситуациях недо-
статочной плотности потока битов (длинные последовательности подряд
идущих нулей или единиц).
Если не используются другие способы, гарантирующие битовую синхрони-
зацию передающей и приемной сторон, использование псевдорандомиза-
ции необходимо. Суть псевдорандомизации состоит в сложении по модулю
двух передаваемых последовательностей со стандартной псевдослучайной
последовательностью (ПСП), то есть в выполнении над ними операции
«исключающее или». Дерандомизация на приемной стороне осуществляет-
ся посредством той же операции. При этом генераторы псевдослучайных
последовательностей передающей и приемной сторон должны быть син-
хронизированы.
Наличие или отсутствие псевдорандомизации канального сигнала долж-
но быть определено для каждого физического канала и априори известно
на приемной стороне.
Если используется псевдорандомизация, то на передающей стороне она при-
меняется к блокам кода или фреймам после RS или турбо-кодера (если они
используются), но перед сверточным кодированием (если оно используется).
На приемной стороне дерандомизация применяется к данным, полученным
после декодера сверточного кода (если он используется) и синхронизации
блоков кода, но перед дешифровкой RS-кода или турбо-кода.
Конфигурация системы псевдорандомизации передающей стороны показа-
на на рис. 5.19.
Рис. 5.19. Система псевдорандомизации
448
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
Синхронизация и псевдорандомизация
Структура синхромаркера оптимальна для целей синхронизации (обеспе-
чивает достаточную плотность потока битов) и не рандомизируется. Псев-
дослучайная последовательность складывается с передаваемой последова-
тельностью начиная с 1-го бита фрейма или блока кода.
На приемной стороне блоки кода или фреймы дерандомизируются с помо-
щью такой же ПСП, которая складывается с принимаемой последователь-
ностью начиная с 1-го бита блока кода или фрейма.
Спецификация псевдослучайной последовательности
ПСП генерируется с использованием следующего многочлена:
Л(х)= х8 + х7 + х5 + х3 + 1.
Генерация ПСП начинается с 1-м битом блока кода или фрейма. Длитель-
ность ПСП 255 битов. Последовательность циклически повторяется до до-
стижения конца блока кода или фрейма. На рис. 5.20 логическая диаграмма
генератора ПСП.
DATA OUT
Transfer Frame during ASM period
(+) = Modulo-2 adder
(Exclusive OR)
Рис. 5.20. Логическая диаграмма генератора ПСП
= Single Bit Delay
15 Заж 861
449
Современная телеметрия в теории и на практике
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 5:
1.	Программа НАСА по стандартизации систем передачи данных: диапа-
зоны частот и виды модуляции / Warren L. Martin; МО СССР. - №16/793.
- 10 с. - Proceedings of the International Telemetring Conference, ITC/82,
San-Diego, Ca, September 28-30,1982, p. 853-857.
2.	Программа НАСА по стандартизации систем передачи данных: основ-
ные концепции и их содержание / Robert Smylie, Robert Stephens; МО
СССР. - № 14/791. - 15 с.- Proceedings of the International Telemetring
Conference, Vol. XIX, April 1983, p. 820-827.
3.	Telemetry. Summary of Concept and Rationale, Recommendation CCSDS
100.0-G-l, Issue 1, Green Book, Consultative Committee for Space Data
Systems, December 1987.
4.	Packet Telemetry, Recommendation CCSDS 102.0-B-2, Issue 2, Blue Book,
Consultative Committee for Space Data Systems, January 1987.
5.	Telemetry Channel Coding, Recommendation CCSDS 101.0-B-2, Issue 2,
Blue Book, Consultative Committee for Space Data Systems, January 1987.
Reference Model of Open Systems Interconnection, International
Organization for Standardization, Draft International Standard DIS-7498,
February 1982.
6.	Rice, R.F., and Hilbert, E., US Patent 3988677, October 26, 1976.
7.	Morakis, J.C., Discussion of Synchronization Words, NASA Technical
Memorandum 86222, NASA-Goddard Space Flight Center, Greenbelt,
Maryland, May 15, 1985.
8.	Procedures Manual for the Consultative Committee for Space Data Systems,
Issue 1, Consultative Committee for Space Data Systems, August 1985.
9.	Cager, R., Spacecraft Identification Requirements Analysis, CCSDS Panel
1-C Telecommand Action Item 6.26, June 3-7, 1985.
450
Глава 5. Стандарты и технологии современной телеметрии
10.	Telecommmand: Summary of Concept and Service, Report CCSDS
200.0-G-6, Issue 6, Green Book, Consultative Committee for Space Data
Systems, January 1987.
11.	Telecommand, Part 2: Data Routing Service, Architectural Specification,
Recommendation CCSDS 202.0-B-l, Issue 1, Blue Book, Consultative
Committee for Space Data Systems, January 1987.
12.	Rice, R.F., Channel Coding and Data Compression System
Considerations for Efficient Communication of Planetary Imaging Data,
Technical Memorandum 33-695, NAS А-Jet Propulsion Laboratory, Pasadena,
California, June 15, 1974.
13.	Rice, R.F., End-to-End Imaging Rate Advantages of Various Alternative
Communication Systems, JPL Publication 82-61, NASA-Jet Propulsion
Laboratory, Pasadena, California, September 1,1982
14.	Rice, R.F., Mission Science Value/Cost Savings from the Advanced
Imaging Communications System, JPL Publication 84-33, NASA-Jet Propulsion
Laboratory, Pasadena, California, July 15, 1984.
15.	Miller, R.L., et al., On the Error Statistics of Viterbi Decoding and
the Performance of Concatenated Codes, JPL Publication 81-9, NASA-Jet
Propulsion Laboratory, Pasadena, California, September 1, 1981.
16.	Odenwalder.J.P, Concatenated Reed-Solomon/Viterbi Channel Coding for
Advanced Planetary Missions, Final Report, Contract 953866, December 1,1974.
17.	Liu, K.Y., The Effects of Receiver Tracking Phase Error on the
Performance of Concatenated Reed-Solomon/Viterbi Channel Coding System,
JPL Publication 81-62, NASA-Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California,
September 1,1981.
18.	Odenwalder, J.P., et al„ Hybrid Coding Systems Study, Final Report,
NASA-Ames Research Center Contract NAS2-6722, Linkabit Corporation, San
Diego, California, September 1972.
451
Современная телеметрия в теории и на практике
19.	Perlman, М., and Lee, J.J., Reed-Solomon Encoders - Conventional
vs Berlekamp’s Architecture, JPL Publication 82-71, NASA-Jet Propulsion
Laboratory, Pasadena, California, December 1,1982.
20.	Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) Users’ Guide,
STDN 101.2, Rev. 5, NASA-Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland,
September 1984.
Часть II
Применение телеметрии
Глава 6.
Телеметрия в космической
отрасли
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
6.1.	ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБЪЕКТОВ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Расширение перечня и сложности задач, ставящихся перед ракетно-космичес-
кими исследованиями, наметили постоянную тенденцию к росту количества
измеряемой и регистрируемой на борту космических объектов информации,
как предназначенной для контроля и управления бортовыми системами, так и
являющейся результатом научных экспериментов. Из особенностей примене-
ния информационно-телеметрических средств можно выделить следующие.
1.	Перемещение объекта в условиях большой удаленности друг от друга
пунктов приема приводит к тому, что при чрезмерном удалении объек-
та от приемно-регистрирующей аппаратуры нарушается связь между
бортовыми и наземными радиотелеметрическими средствами и появ-
ляется необходимость изменения способа организации этой связи.
2.	Воздействия помех на радиоканал Борт — Земля и бортовые системы
космического аппарата (КА), вызванные электромагнитным излучени-
ем Солнца, прохождением радиационных поясов Земли и пересечени-
ем орбиты изолиний магнитного поля.
3.	Наличие жестких требований по надежности функционирования вы-
числительных модулей бортовых информационно-телеметрических
систем в неблагоприятных условиях эксплуатации космического про-
странства (в первую очередь для КА безконтейнерного исполнения)
накладывает ограничения на состав элементной базы бортовых вычис-
лительных средств.
4.	Наличие противоречий между ростом числа измеряемых параметров
при ограничениях на пропускную способность канала связи снижает
устойчивость, оперативность и достоверность телеконтроля бортовых
систем и информационно-телеметрического обеспечения научных эк-
спериментов и потому требует тщательного их учета при разработке
принципов применения информационно-телеметрических средств.
5.	Необходимость использования одних и тех же информационно-теле-
метрических средств на всех этапах эксплуатации бортовой аппарату-
ры объектов ракетно-космической техники — подготовки к примене-
нию и управления в полете.
6.	Жесткие требования по массе, габаритам и энергопотреблению борто-
вых информационно-телеметрических систем (БИТС), характерные
455
Телеметрия в теории и на практике
для космических аппаратов, служат ограничителями некоторых пока-
зателей эффективности БИТС.
7.	Проблема передачи все возрастающего объема сведений требует объ-
единения функций обработки телеметрической информации как для
последующей передачи, так и для использования в системах контроля,
управления и навигации летательным аппаратом.
8.	Быстродействие элементов бортового комплекса управления (БКУ),
связанных с обработкой информации на борту КА, должно обеспечи-
вать решение различных задач в реальном масштабе времени. Данное
требование приводит к необходимости усложнять структуру БКУ в
направлении автономизации функционирования КА. Особенно остро
проблема повышения автономности функционирования стоит перед
разработчиками систем диагностирования межпланетных космичес-
ких аппаратов.
Современные разработчики телеметрических систем по-разному решают про-
блемы повышения эффективности информационно-телеметрического обеспе-
чения. Среди основных направлений - универсализация бортовых комплексов,
модульность их структуры, создание адаптивных систем с функциями самоди-
агностики и т. д.
6.2.	ПЕРСПЕКТИВНЫЕ БОРТОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-
ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Бортовые информационно-телеметрические системы объектов ракетно-косми-
ческой техники не только методологически, но и по существу основных свойств
можно отнести к категории больших систем, основной отличительной особен-
ностью которых является не столько сложность и разнородность элементов,
составляющих систему, сколько вероятностный, непредсказуемый характер их
поведения во времени [1].
6.2.1.	Бортовая информационно-телеметрическая система «Орбита-IV»
Аппаратура БИТС «Орбита-IV» предназначена для решения информационно-
измерительных задач (телеметрия, формирование и ввод информации борто-
вым потребителям) на [2]:
ракетах-носителях, разгонных блоках (рис. 6.1), головных блоках, ра-
кетах авиационного и морского базирования и др.;
космических аппаратах, в том числе и на КА с продолжительным сро-
ком (до 10-15 лет) активного функционирования.
456
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
Конструктивные решения, принципы построения приборов и другие техничес-
кие решения (принципы агрегатирования, контроль функционирования и т. д.)
у обоих вариантов совпадают.
Вариант БИТС для КА (рис. 6.2) отличается:
-	применением специального покрытия деталей несущего конструктива,
изготовленных из алюминиевого сплава;
-	спец, отбором и аттестацией комплектующих ЭРИ по специальной
программе, утвержденной Главным конструктором аппарата;
-	возможностью резервирования: «горячего» с поканальным выбором
наиболее достоверных измерений и «холодного», управляемого по вне-
шним й внутренним командам;
Рис. 6.1. БИТС для ракет-носителей и разгонных блоков
Обозначения:
К - коммутатор;
ПП - первичные преобразователи;
П - передатчик;
457
Телеметрия в теории и на практике
МБУ-Р - Вторичный распределитель;
МБУ -1 - Центральный формирователь, распределитель;
МПИ - межприборный интерфейс;
СЗУ - Статическое ЗУ 16 Мбайт
-	встроенной системой диагностики;
-	включением в технологический цикл изготовления БИТС (приборов
и модулей) специальных операций, таких как термоэлектротренировка
аппаратуры в течение не менее 1 % ресурса, термовакуумные испыта-
ния, дегазация и другие виды технологических операций и испытаний,
по требованию Главного конструктора КА.
Прибор МБУ — центральный формирователь телеметрического сигнала фор-
мирует видеосигнал (в реальном времени) для модуляции сигнала передатчика
и обеспечивает функционирование подключенных к нему коммутаторов, вто-
ричных распределителей (МБУ-Р) и внешних измерительных систем. Цент-
ральный блок обмена с БЦВМ (прибор АФК), или центральный формирова-
тель телеметрического сигнала — формирует видеосигнал кадра измерительной
информации для обмена с БЦВМ и для модуляции передатчика, обеспечивает
выбор наиболее достоверных измерений по мажоритарным алгоритмам при
трехкратном горячем резервировании.
Статическое запоминающее устройство (прибор СЗУ) обеспечивает запомина-
ние всего потока информации или программируемой его части по задаваемой
программе или по внешним командам и последующее ее воспроизведение по
внешней команде для передачи по радиолинии на наземный приемный комп-
лекс.
БИТС «Орбита-IVMO» выполняет следующие функции [2]:
сбор измерительной информации от аналоговых, температурных, тен-
зо-, вибро-, цифровых и дискретных датчиков, цифровой информации
от БЦВМ, поступающей по мультиплексному каналу обмена (МКО),
преобразование этой информации в цифровой код и формирование
кадра передачи данных в структуре системы «Орбита - IVMO»;
выдачу команд абонентам в заранее установленные моменты времени;
запоминание измерительной информации объемом до 16 Мбайт и пос-
ледующее ее воспроизведение в различных режимах;
выдачу измерительной информации внешним потребителям по специ-
альному каналу;
обработку измерительной информации по алгоритмам повышения ее
достоверности и по алгоритмам сжатия для режима «телесигнализа-
ция»;
458
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
передачу телеметрической информации по радиоканалу на приемно-
регистрирующие станции в режимах непосредственной передачи (НП)
и в режиме передачи одновременно непосредственных измерений и
воспроизводимой информации (НП+ВИ), а также в режиме НП и за-
держанной па заданное время информации (режим «задержки»).
Рис. 6.2. Структурная схема БИТС для КА
Обозначения:
К - коммутатор;
СЗУ - Статическое ЗУ 16 Мбайт;
АФК - центральный формирователь телеметрического сигнала;
МПИ - межприборный интерфейс.
Кроме этого, бортовая аппаратура выполняет ряд вспомогательных функций,
необходимых для решения основных задач, указанных выше, а именно:
стабилизация напряжения и гальваническая развязка от цепей пер-
вичного источника питания;
формирование напряжений питания датчиков;
обеспечение работоспособности важнейших блоков бортовой аппара-
459
Телеметрия в теории и на практике
туры (счетчика времени в центральном формирователе и в блоке вре-
менных команд, а также запоминающего устройства) при просадках
напряжения первичного источника до О В на время до 10 мс;
формирование выходного суммарного телеметрического сигнала в виде
видеокода для взаимодействия с контрольно-испытательной аппара-
турой на различных этапах проведения проверок бортовой аппаратуры
и изделия в целом.
БИТС представляет собой цифровую высокоинформативную телеметричес-
кую систему, обеспечивающую сбор информации от различных типов датчиков:
аналоговых в шкале (0-6,2) В, температурных (термоЭДС и термосопротивле-
ния), дискретных (типа «да-нет»), тензо- и вибродатчиков, от цифровых систем
типа БЦВМ, выдающих информацию в соответствии с ГОСТ 26765.52-87. Вся
вышеуказанная информация преобразуется в цифровой вид и в едином цифро-
вом потоке передается но радиоканалу с фазовой манипуляцией несущей (0-
180)° на Землю. БИТС формирует кадр измерительной информации и выдает
его по запросу внешнего потребителя. Максимальная информативность сис-
темы БИТС составляет 3,2 Мбит/с и может при необходимости снижаться до
196 тысяч бит в секунду с двоичной дискретностью оперативным перепрограм-
мированием прибора МБУ (рис. 6.1) или по внешней команде (на Земле и в
процессе полета изделия). Основной информационной посылкой в выходном
телеметрическом сигнале является блок, состоящий из 12-ти последователь-
ных бит и называемый словом [2]. В определенных словах первые биты несут
служебную информацию (синхропосылки, низкочастотные маркеры, метки те-
кущего времени и др.), а все другие биты несут измерительную информацию.
Служебная информация составляет не более 5 % от всей информации системы
БИТС. Телеметрическое слово несет в себе информацию:
одного измерения — для аналоговых, температурных и тензопарамет-
ров;
до 8 измерений для дискретных параметров;
3-х (четырехразрядных), 2-х (шестиразрядных) или одного (вось-
миразрядного) измерения для быстро меняющихся параметров.
Таким образом, БИТС при максимальной информативности (3,2 Мбит/с) мо-
жет передать в секунду:
до 262 тысяч измерений аналоговых, температурных, тензопараметров,
сигналов БЦВМ;
более 2 миллионов измерений дискретных параметров;
более 520 тысяч (6- разрядных) измерений быстро меняющихся пара-
метров;
более 785 тысяч 4- разрядных измерений быстро меняющихся параметров.
460
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
ИТС позволяет практически в неограниченных пределах распределять полную
информативность системы для измерения параметров любого типа при частоте
опроса параметра не менее 4 Гц и не более:
32 Гц для температурных параметров (допускается увеличение частоты
опроса путем запараллеливания 2-х, 4-х и т. д. каналов);
1096 Гц для аналоговых и тензопараметров (с учетом запараллеливания
каналов);
до 45 тысяч 16-разрядных слов для информации МКО;
до 16 кГц для быстро меняющихся параметров (и до 64 кГц с учетом
запараллеливания каналов).
БИТС позволяет принимать информацию от:
более чем 4000 аналоговых и температурных датчиков;
более чем 32000 дискретных датчиков;
до 48 вибродат'чиков при частоте их опроса 16 кГц и до 96 вибродатчиков
при частоте их опроса 8 кГц.
БИТС может работать в режимах:
запоминания информации — режим записи информации ЗИ;
передачи непосредственных (текущих) измерений — режим НП;
передачи воспроизводимой с ЗУ запомненной информации — режим
ВИ;
одновременной передачи текущей и воспроизводимой информации
— режим НП+ВИ;
одновременного запоминания информации и передачи текущей и вос-
произведенной информации — режим ЗИ+НП+ВИ;
режиме ускоренного воспроизведения информации с отношением ско-
рости записи и воспроизведения 1: 2; 1:4; 1: 8; 1:16; 1: 32;
одновременной передачи текущей и задержанной (в «кольцевом» ЗУ)
информации — режим «задержки».
БИТС позволяет гибко строить систему измерений изделия, в широких преде-
лах варьируя:
количество и типы телеметрируемых параметров (путем набора не-
обходимого количества коммутаторов соответствующего типа);
частоты опроса параметров;
верхние и нижние частоты среза фильтров и коэффициенты преобразо-
461
Телеметрия в теории и Иа практике
вания нормализаторов тензо- и вибропараметров;
время задержки информации в «кольцевом ЗУ»;
коэффициент трансформации скорости записи в скорость воспро-
изведения ЗУ при ускоренном воспроизведении.
ИТС позволяет изменять параметры системы измерения (частоты опроса, час-
тоты среза, коэффициенты преобразования, суммарную информативность):
путем оперативного перепрограммирования программ измерений, за-
ложенных в ПЗУ системы;
путем выбора одной из программ измерений, заложенных предва-
рительно в ПЗУ системы, выбор может производиться или кроссиров-
кой, или по внешним командам (и том числе и в процессе полета изде-
лия).
Питание системы осуществляется от источника постоянного тока напряжени-
ем 28±5 В. Источники вторичного питания ИТС гальванически изолированы
от первичного питания. Потребление БИТС зависит от количества и типов
приборов, используемых в системе измерений. Время готовности системы пос-
ле подачи напряжения питания — не более 3 с. Время непрерывной работы — до
8 часов.
Для реализации жестких требований к габаритно-массовым характеристикам
БИТС был принят ряд мер конструктивно-технологического характера [2]:
применение больших интегральных схем как универсальных (одно-
кристальные АЦП, мультиплексоры, операционные усилители, ОЗУ,
ПЗУ и др.), так и специализированных программируемых логических
интегральных схем (ПЛИС) и зарубежных интегральных схем (при от-
сутствии отечественных аналогов);
конструктивное оформление большинства микросхем в малогаба-
ритных стандартных микрокорпусах и применение пассивной элемен-
тной базы в безвыводном исполнении;
применение технологии поверхностного монтажа;
применение многослойных коммутационных печатных плат для обес-
печения межсоединений плотно расположенных выводов.
Общая информативность БИТС может принимать одно из значений: 16384;
32768; 65536; 131072; 262144 измерения в секунду. Под измерением понимает-
ся одно двенадцатиразрядное слово в выходном телеметрическом канале. Для
аналоговых, температурных, тензо- параметров в одном телеметрическом 12-
разрядном слове передается одно измерение. Для дискретных параметров в од-
ном телеметрическом слове передаются одновременно измерения 8 параметров
(на каждое измерение — 1 бит слова). Для вибрационных параметров в одном
телеметрическом 12- разрядном слове может передаваться:
462
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
1	измерение (8-разрядное);
2	измерения (6-разрядных);
3	измерения (4-разрядных).
Это позволяет снизить информативность системы, выделяемую для передачи
цифровых эквивалентов результатов виброизмерений, за счет некоторого сни-
жения разрешающей способности измерений. При* значительной доле вибро-
измерений в общем объеме измеряемых параметров это позволяет значитель-
но снизить долю общей информативности системы, выделяемой для передачи
виброизмерительной информации (или увеличить число телеметрируемых
вибропараметров при одном и том же объеме выделенной для этого информа-
тивности системы). Это позволяет при постоянной общей информативности
системы увеличить количество передаваемых измерений, несколько снижая
при этом их разрешающую способность. Общая информативность расходуется
на передачу измерительной информации о разных типах параметров, имеющих
разные частоты опроса.
Так как различные параметры требуют существенно различающихся частот
опроса, то при равномерном опросе каналов коммутаторов либо неоптимально
используется информативность системы (если опросность каналов в комму-
таторе задавать равной требуемой опросности наиболее активного параметра,
подключенного к данному коммутатору), либо неоптимально используются
каналы (если опросность каналов в коммутаторе задавать равной опросности
наименее активного параметра, а опросность более активных параметров реа-
лизовать запараллеливанием каналов, т. е. на опрос одного параметра требуется
более одного канала).
Для устранения такого неудобства в аппаратуре БИТС «Орбита IVMO» в ло-
кальных коммутаторах (МКС2, МКА2, МКБ1) все каналы разбиты на 4 груп-
пы. В каждой группе каналы опрашиваются с одной и той же частотой (f кГ):
f
f Nr
(6.1)
где Fr — частота опроса группы;
Nr — число каналов в группе.
Так как все каналы в одной группе (а также все каналы прибора МКТ2) оп-
рашиваются с одной и той же частотой, то на каналы одной и той же группы
заводятся сигналы датчиков, которые имеют малый разброс требуемых частот
опроса, и выбирается частота опроса каналов в группе равной максимальной
(или средней) частоте опроса параметров в группе.
Если частоты опроса сильно отличаются, то можно использовать запараллели-
вание опросов, т. е. для опроса активного параметра использовать 2,4,...каналов
463
Телеметрия в теории и на практике
коммутатора, отстоящих один от другого на равных «расстояниях». При этом
снижается число параметров, которые можно подключить к коммутатору, но
более оптимально используется информативность.
Информативность коммутатора МКТ2 (Ик) равна
И к = 2 fK,	(6.2)
где fK — частота опроса канала.
В коммутаторах МКС2 все каналы разбиты на 4 группы по 32 канала в каждой,
причем одновременно опрашивается по 8 каналов и результаты их измерений
компонуются в одно выходное телеметрическое слово, т. е. информативность
каждой группы каналов прибора МКС2 (Игс) равна:
Ис =/«*4,	(6.3)
где fK — частота опроса каждого канала в группе.
В коммутаторе быстро меняющихся параметров МКБ 32 канала разбиты на
4 группы по 8 каналов (как бы 4 локальных 8-канальных коммутатора). Внут-
ри группы каналы опрашиваются с одинаковой частотой. При 6-разрядных из-
мерениях в группе работают все 8 каналов и опросность каждого равна /г/4,
где fr — частота опроса группы.
При 4-разрядных измерениях в группе работают только 6 каналов, но опрос-
ность каждого канала равна fr /2. При этом происходит общая экономия ин-
формативности в 1,5 раза (считая в телеметрических 12-разрядных словах).
Для оптимального использования информативности на каналы одной группы
следует подключать параметры, требующие одинаковых частот опроса и одина-
ковой разрядности. Максимальная частота опроса каналов в группе — 64 КГц
(при 4-х разрядах) и 32 КГц (при 6-ти разрядах). За счет запараллеливания ка-
нала опросность в том и другом случае может быть увеличена вдвое.
Для работы системы в режиме НП+ВИ задержки (т. е. передачи непосредствен-
ных измерений и воспроизведения с ЗУ запомненных ранее измерений) воз-
можны два варианта:
первый вариант, когда поток измерений НП (Инп) не превышает 131072
изм/с, тогда возможно воспроизводить поток НП и весь запомненный
поток НП, т. к. их сумма не превышает полной информативности сис-
темы;
второй вариант, когда поток измерений НП превышает 131072 изм/с,
в этом случае для передачи запомненной информации остается инфор-
мативность Н
зу
И у =262144-Яя РЯя ,	(6.4)
т. е. повторить передачу информации непосредственных измерений через t за-
464
Глава 6. Т01еметрия в космической отрасли
держки в полном объеме нельзя и следует записывать на ЗУ для последующего
воспроизведения через t задержки только часть информации НП, наиболее су-
щественную для потребителя.
Количество каналов для каждого z-того типа параметров К. определяется коли-
чеством этих параметров п. и числом запараллеливаемых каналов у. ддя изме-
рения скоростных параметров:
Ki = щ + yt	(6-5)
(считая запараллеливание каналов однократным). Для определения количес-
тва коммутаторов для i-тых параметров необходимо разделить К на число ка-
налов в этих коммутаторах, не считая калибровочных каналов, и при дробном
значении результата деления взять ближайшее большее число.
Головной разработчик аппаратурных и программных средств БИТС - ФГУП
ОКБ МЭИ. Головной изготовитель аппаратурных средств БИТС - ОАО «Ижев-
ский радиозавод». Одним из объектов, на котором осуществляется освоение
производства и установка БИТС «Орбита-IV» является КА «Ямал».
6.2.2.	Система телеметрических измерений «ПИРИТ»
Комплекс средств «Пирит» предназначен для использования в летательных ап-
паратах различного вида: самолеты, вертолеты, ракеты, космические аппараты.
Средства «Пирит» могут также использоваться для информационно-вычисли-
тельных целей, для организации передачи данных, в качестве элементов систем
управления в составе земных объектов, где к таким средствам предъявляются
требования малых объемно-массовых характеристик, большого ресурса и невы-
соких затрат на обслуживание.
Таким образом, технические средства «Пирит» с программируемыми функци-
ями и программируемыми характеристиками обеспечивают полноту функци-
ональных свойств создаваемых систем, наращиваемость функциональных воз-
можностей с целесообразной дискретностью и при необходимости интеграцию
с оборудованием телеметрируемых объектов.
Система телеметрических измерений «Пирит», в состав которой входят пять
программируемых блоков, выполняет следующие функции [4,5]:
-	сбор информации о работе систем разгонного блока КА на всех участ-
ках полета и при подготовке к пуску;
-	передача информации на наземные измерительные пункты;
-	прием и передача внешнетраекторной информации.
Система бортовых измерений разгонного блока использует принцип програм-
мно-адресного опроса измеряемых параметров с возможностью программи-
рования режимов сбора и передачи телеметрической информации. Передача
465
Телеметрия в теории и на практике
информации с разгонного блока проводится как на наземные командно-изме-
рительные комплексы, так и через спутники-ретрансляторы. Для определения
внешнетраекторных параметров используются сигналы радионавигационных
систем «Глонасс» и GPS.
Обобщенная схема БИТС, с учетом изложенных выше принципов построения,
представлена на рис. 6.3, где ПУ — передающее устройство, ОК и РК — основ-
ной и резервный каналы, БСП - блок связи с приемными устройствами, ЩРЦ
— Щит распределения цепей [3].
Эм»*фИ*М€ММ» СКМвЙМ
яаывр w лмыш х сообщен***
Рис. 6.3. Структурная схема системы «Пирит»
В подсистему первичных преобразователей медленно меняющихся параметров
(ПСПП ММП) объединены преобразователи параметров, интенсивность изме-
рений каждого из которых не превышает 800 изм/с.
В подсистему первичных преобразователей быстро меняющихся процессов
(ПСПП) объединены преобразователи параметров, интенсивность измерений
каждого из которых от 2-103 и выше изм/с.
Эти ПСПП приобретают функционально законченный вид при условии вклю-
чения в их состав коммутаторов для объединения измеряемых параметров в
потоки сообщений, представленных в цифровом виде. Число параметров, объ-
единяемых коммутаторами в один поток, определяется, во-первых, стремле-
нием минимизировать суммарную длину кабельной сети БИТС и, во-вторых,
рациональным распределением пропускной способности системы между ка-
466
Г лава 6. Телеметрия в космической отрасли
налами для сбора сообщений о медленно меняющихся и быстро меняющихся
процессах. Статистически полученные значения находятся в пределах 32... 128
для сообщений о медленно меняющихся параметрах и 8...32 для сообщений о
быстро меняющихся параметрах.
Коммутаторы для объединения параметров, представленных в телеметрируе-
мом объекте электрическими сигналами, разделены на два вида: локальные для
сбора аналоговых сигналов (КЛА) и локальные для сбора сигнальных парамет-
ров (КЛС).
Формирователь импульсного питания датчиков (ФПД) используется для обес-
печения пожаро- взрывобезопасности при размещении коммутаторов в пожа-
ро- и взрывоопасных средах и повышает надежность источника питания датчи-
ков при отказах датчиков и кабельной сети типа «коротких замыканий».
Коммутаторы как самые многочисленные устройства БИТС, во многом опреде-
ляющие ее надежность и объемно-массовые характеристики, сконструированы
как коммутаторы с циклическим режимом сбора сообщений и радиальным вы-
ходным интерфейсом.
Циклически объединенные измеряемые параметры в виде последовательного
двоичного кода передаются от коммутаторов и подсистемы ПСПП медленно
меняющихся параметров по радиальным каналам связи в модуль сбора инфор-
мации (МСИ), где размещаются и обновляются в памяти текущих значений с
заданной пользователем частотой.
Память текущих значений измеряемых параметров является частью адресно-
го пространства микроЭВМ, производящей отбор существенных значений по
выбранному пользователем алгоритму. Это могут быть алгоритм циклического
прореживания потока значений с независимо выбранным для каждого парамет-
ра коэффициентом прореживания, предсказатели различных порядков, допус-
ковый контроль, смысловая обработка и т. д. Отобранные существенные значе-
ния измеряемых параметров объединяются в пакеты сообщений со служебным
заголовком, обеспечивающим их независимую транспортировку и обработку.
Готовые для передачи пакеты сообщений могут быть переданы по мультиплек-
сному каналу обмена (МКО ТМ) в модуль формирования телеметрического
кадра (МФК) для формирования кадра передачи информации по радиолинии
или в модуль долговременной памяти для хранения. Контроллером МКО ТМ
может быть любой из связанных этим каналом модулей, микроЭВМ которого
наименее загружена другими, кроме управления обменом, задачами.
Контроллер мультиплексного канала связи с бортовым комплексом управле-
ния изделия (МКО БКУ) находится в составе бортового комплекса управле-
ния (БКУ), а модули БИТС, связанные с этим каналом, являются оконечными
устройствами. По контроллеру МКО БКУ передаются команды управления
режимами работы БИТС.
467
Телеметрия в теории и на практике
В режиме запроса текущих значений измеряемых параметров МКО БКУ обес-
печивает доступ непосредственно в память текущих значений модуля сбора ин-
формации. Через МКО БКУ может осуществляться и телеметрирование БКУ
Каждый модуль БИТС имеет четыре независимых канала для организации
МКО ТМ, МКО БКУ или связи с телеметрируемыми системами, если эти сис-
темы выдают информацию в структуре ГОСТ 26.765.52-87. Избыточные кана-
лы могут использоваться в БИТС для дублирования, резервирования или тро-
ирования мультиплексного канала обмена.
Смысловая часть потоков стандартизированной и специальных структур пре-
образовывается в модуле преобразования цифровой информации (МПЦ) в
пакеты сообщений и в структуре мультиплексного канала обмена передается
в модуль формирования телеметрического кадра или модуль долговременной
памяти.
В командно-временном модуле (МКВ) хранятся циклограммы работы БИТС
и переменные программы работы всех перепрограммируемых модулей. В ре-
жиме контроллера командно-временной модуль управляет обменом по МКО
ТМ, синхронизирует таймеры всех модулей и раздает управляющие воздейс-
твия на модули, требующие управления. Внешние для БИТС управляющие
воздействия осуществляются через командно-временной модуль по МКО БКУ
или через специальный интерфейс ввода-вывода данных. Через другой специ-
альный интерфейс командно-временной модуль может выдавать управляющие
воздействия на элементы БИТС или внешние устройства.
На командно-временной модуль возлагаются также сбор сообщений о состоя-
нии всех устройств системы, формирование команд включения в работу ре-
зервных устройств, формирование и передача в модуль формирования теле-
метрического кадра служебных пакетов данных о состоянии функциональных
устройств системы, конфигурации БИТС и режимах ее работы.
В процессе хранения в модуле формирования телеметрического кадра пакета
служебных сообщений обновляется код текущего времени от таймера модуля
формирования телеметрического кадра в момент размещения пакета на сво-
бодном от информации месте телеметрического кадра и в начале каждой се-
кунды.
Цифровые отсчеты быстро меняющихся параметров без изменения их времен-
ного положения могут быть переданы в радиоканал. Для этого в ячейке сопря-
жения с передатчиком предусмотрено суммирование потоков сообщений о быс-
тро меняющихся параметрах с потоком, формируемым в модуле формирования
телеметрического кадра.
П ередача непосредственных отсчетов быстро меняющихся параметров в суммар-
ном потоке возможна при пропускной способности радиолинии 1024 Кбит/с
или 512 Кбит/с. При пропускной способности радиолинии от 256 Кбит/с и
468
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
ниже возможна только передача результатов обработки быстро меняющихся
параметров по заданному пользователем алгоритму Для этого существует мо-
дуль преобразования быстро меняющихся параметров в медленно меняющиеся
параметры.
Предусмотренные в БИТС изменения пропускной способности радиолинии в
процессе полета производятся изменением частоты считывания накопленной
информации из буферного устройства модуля формирования телеметрическо-
го кадра, управление которым обеспечивает равномерность и непрерывность
потока в синхронно работающей радиолинии.
Щит размножения цепей позволяет упростить конструкцию кабелей, служит
для распределения по системе электропитания и для размещения соединитель-
ных устройств мультиплексного канала обмена.
В БИТС «Пирит» предусмотрено 64 программы, которые могут быть задейс-
твованы во время полета разгонного блока. Каждая программа пишется в зави-
симости от динамики процессов на изделии. «Пирит» явился первой в России
системой телеизмерений для ракетно-космической техники, которая соответс-
твует стандарту CCSDS (см. соответствующую главу). В этом нормативном
документе определены параметры и структура пакетной передачи телеметри-
ческой информации с борта объекта ракетно-космической техники.
Работа «Пирита» аналогична функционированию системы управления с бор-
товым компьютером, все блоки связаны друг с другом внешними абонентами
и системой управления. При этом каждый абонент на борту разгонного блока
имеет свой адрес, который выражается в двоичном коде. Это позволило резко
сократить (до 2-х) число проводов и вес бортовой кабельной сети.
На международной космической станции (МКС) вся телеметрическая система
построена также на основе мультиплексного канала связи между модулями. Как
и во всех системах телеметрии, передача информации с борта осуществляется в
течение небольшого времени, для «Пирита», установленного на разгонном бло-
ке «Бриз-М», время составляет около 20 мин. Это связано с зоной радиовиди-
мости на территории России. В остальное время передатчик БИТС не работает,
а информация записывается на магнитный носитель. Передача информации,
записанной на запоминающее устройство, происходит только на следующем
витке, когда разгонный блок снова пролетает над территорией России.
469
Телеметрия в теории и на практике
6.2.3.	Телеметрическая аппаратура «ОРБИТА-4МТ»
Бортовая радиотелеметрическая система «Орбита-4МТ», функционирует в
кадре приемной станции РТС Орбита-ТМ [6]. БИТС «Орбита-4МТ» (рис. 6.5)
предназначена для решения задач телеизмерений при испытаниях и штатной
эксплуатации объектов космической, ракетной и авиационной техники всех
классов, а также штатной эксплуатации объектов народного хозяйства (ТЭЦ,
нефтеперерабатывающие заводы, топливопроводы и т. д.).
Рис. 6.5. Панель БИТС «Орбита-4МТ»
БИТС «Орбита-4МТ» представляет собой набор агрегатируемых функцио-
нально законченных модулей, выполненных в виде конструктивов, обеспечи-
вающих моноблочную и поприборную компоновку. Функциональные модули
из состава БИТС «Орбита-4МТ» объединяются в малогабаритную телеметри-
ческую систему с гибкой структурой. В состав базового (моноблочного) блока
и отдельных приборов могут быть включены любые модули в любой комбина-
ции.
Состав: центральный формирователь, шинный контроллер, модули формиро-
вания измерительных каналов, вторичный источник питания, радиопередатчик
метрового диапазона.
Модули формирования измерительных каналов обрабатывают сигналы со сле-
дующих типов датчиков:
-	аналоговых низкочастотных в шкале 6,2 В;
-	аналоговых знакопеременных;
-	акселерометров;
-	термопар и термосопротивлений;
470
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
-	сигнальных и контактных;
-	цифровых потоков по ГОСТ 26765.52-87 в режиме монитора, оконеч-
ного устройства и контроллера;
-	цифровых параллельных потоков;
-	последовательного интерфейса RS-232C.
Выходная мощность передатчика — не менее 3 Вт в диапазоне МП в составе ба-
зового блока и не менее 10 Вт в виде отдельного прибора. Электропитание — 28
(+5, -4) В. Условия эксплуатации — группа 4 по ГОСТ В20.39.304-76.
Характеристики одной из модификаций (4ОРБИТА-4 МТХ»)
Массогабаритные:
-	базовый блок «Орбита-4МТХ1»: объем 2,2 куб.дм, масса 2,3 кг;
-	коммутатор вибрационный: объем 0,98 куб.дм, масса 1,0 кг;
-	коммутатор температурный: объем 0,9 куб.дм, масса 0,95 кг.
Информационные (базовый блок):
-	аналоговые каналы — 71;
-	сигнальные параметры — 1;
-	цифровые параллельные потоки — 2;
-	мультиплексный канал по ГОСТ 26765.52-87 — 1;
-	последовательный порт RS-232C (для сопряжения с системой траек-
торных измерений «Верхушка»).
Информационные (специализированные приборы):
-	коммутатор вибрационный — 8 каналов;
-	коммутатор температурный — 32 канала;
-	статическое ЗУ — 1...16 Мбайт.
6.2.4.	Модификации малогабаритной цифровой телеметрической
системы ТА-932
БИТС ТА-932 (рис. 6.6) предназначена для сбора, обработки, запоминания и
передачи телеметрической информации аналоговых температурных и контакт-
ных датчиков космических аппаратов [7].
471
Телеметрия в теории и на практике
Рис. 6.6. Вид ТА-932 в сборе
Модификации ТА-932 дополнительно обеспечивают:
-	параметрический контроль и выдачу сигнала «внимание» при выходе
контролируемого параметра за нормы допуска;
-	связь с БЦВМ и передачу их информации через телеметрический ка-
нал.
Передача телеметрической информации возможна по четырем программам оп-
роса датчиков. Системы могут использоваться для долговременного контроля
за состоянием объекта телеметрирования, передачи данных о состоянии объек-
та потребителям информации по их запросам.
В телеметрической системе ТСТК имеются блоки предканальной развязки,
которые обеспечивают контроль гальванически развязанных,источников пита-
ния, цепей пиропатронов и нагревателей, одиночных команд и периодических
импульсных сигналов, напряжений шунтов и наличие гальванических связей
шин питания с корпусом.
Учитывая возможность любого изменения комплектности, заложенную при
её конструировании, систему можно применять в тех отраслях народного хо-
зяйства, где требуется постоянный контроль за технологическим процессом, за
изменением температуры, давления, за состоянием управляющих и исполни-
тельных элементов контролируемого оборудования. Данные по модификациям
БИТС ТА-932 представлены в табл. 6.1.
472
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
Таблица 6.1. Основные технические данные вариантов комплектации БИТС
ТА-932
Тип системы	ТА932М1- 2606	TA932M3	TA932MS (SESAT)	тстк
Число каналов	не менее 576	не менее 512	температ.-264, циф- ровых -192, аналогов.- 256, эл. аккум, баг-120, служебные каналы-16	536
Информативность в режиме НП, изм/с	1000; 8000	1000; 8000; 32000	1000; 8000	1000; 8000
Информативность в режимах, изм/с:				
запоминание ана- логовой инфор- мации	4000	4000	4000	4000
запоминание циф- ровой информации	8000	4000	4000	4000
информативность при воспроизведе- нии информации, бит/с	8000	1000; 8000; 32000	8000	8000
Масса системы, кг	не более 15	не более 15	не более 21	не более 14
Энергопотребле- ние системы по цепи 27 В, Вт	не более 15	не более 20	не более 20	не более 22,5
Системы резерви- рованы, обеспечи- вают срок активного сущест- вования в составе КА	не менее 7 лет	не менее 5 лет	не менее 10 лет	не менее 5 лет в соста- ве наземно- го оборудо- вания
473
Телеметрия в теории и на практике
Тип системы	ТА932М1- 2606	TA932M3	TA932MS (SESAT)	тстк
Объект использо- вания	«Экспресс», «ГАЛС» и др.	метрологи- ческий спут- ник «Метеор- ЗМ»	сибирско-европейский спутник связи SESAT	аппаратура предстарто- вого контро- ля КА
Стандарт выходной структуры кадра	КИС-С	КИС-С	КИС-С КИС-Ки	КИС-С
6.2.5.	Телеметрическая система БР-9ЦК-1
Телеметрическая система нового поколения БР-9ЦК-1 (рис. 6.7) на базе цент-
рального блока предназначена для регистрации информации аналоговых, циф-
ровых и температурных датчиков, размещаемых на аппаратуре разгонного бло-
ка «Фрегат» с последующей передачей данных через радиолинию [7].
Рис. 6.7. Центральный блок БР-9ЦК-1
Система прошла натурные испытания в составе разгонного блока «Фрегат»
при выводе КА «Амос-2» с положительными результатами, в данное время про-
ходит модернизацию для применения в составе разгонного блока при стартах
с космодрома в Куру (Французская Гвиана).
Состав системы:
центральный блок ЦБ-4 (масса не более 1,3 кг, потребление не более
0,1 А) — 1 шт.;
локальный коммутатор ЛК-М (масса не более 0,5 кг, потребление не
более 0,08 А) — 2 шт.;
474
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
-	система измерения температур СИТ-П (масса не более 0,7 кг, потреб-
ление не более 0,15 А) — 2 шт.;
-	комплект ПЗУ (масса не* более 0,1 кг) — 1 компл.;
комплект кабелей (масса не более 0,8 кг) — 1 компл.
Программируемый 64-канальный коммутатор системы измерения температур
СИТ-П предназначен для сбора информации с термодатчиков в резервируемых
телеметрических системах (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Внешний вид наделив СИТ-П
Рис. 6.9. Внешний вид изделия ЛК-М
Программируемый локальный коммутатор ЛК-М (рис. 6.9) предназначен для
сбора информации с аналоговых и цифровых датчиков в телеметрических сис-
темах.
Основные технические параметры в модификации ЛК-М приведены
в табл. 6.2.
475
Телеметрия в теории и на практике
Таблица 6.2. Основные технические данные вариантов локального коммутатора
ЛК-М
Параметр	Модификация		
	ЛК-М	ЛК-АЦ	ЛК-А
Количество аналоговых каналов	64	64	64
Количество цифровых каналов	40	20	—
Цифровой канал СИТ	+	+	+
Канал счетчика кадров	+	+	+
Служебный канал ЛК	+	+	+
Канал измерителя температуры ЛК	+	+	+
Рабочий диапазон температур, ’С	-50...+50		
Габаритные размеры, мм	116x110x47,5	116x110x37,5	116x110x28,5
Масса, кг	0,5	0,4	0,3
Производителем ДООО «Ижевский радиозавод» также разработана малога-
баритная радиотелеметрическая система БР-91ЦК-М6. Малогабаритная те-
леметрическая система БР-91ЦК-М6 служит для регистрации и передачи ин-
формации о быстро меняющихся параметрах с передачей информации через
радиолинию.
Система обеспечивает передачу телеметрического сигнала с информативнос-
тью 51200 измерений в секунду по автономной радиолинии в дециметровом
диапазоне волн (Д1). Напряжение питания системы в пределах от 23 до 32 В
при пульсациях, импульсных помехах и просадках с амплитудой до 2 В любой
длительности и периодичности.
6.3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СТАНЦИИ ПРИЕМА И РЕГИСТРАЦИИ
ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Основными тенденциями построения современных приемно-регистрирующих
станций являются:
1)	Возможность приема и обработки не только радиотелеметрической (в
структуре сигналов сразу нескольких телеметрических систем), нави-
гационной информации, параметров систем управления, но и сбор на-
учных данных, получаемых экспериментальными космическими аппа-
ратами;
476
Г лава 6. Телеметрия в космической отрасли
2)	Ограничения по массогабаритным характеристикам аппаратуры и
адаптация к пользователю (разработка малогабаритных присмно-рс-
гистрирующих станций с возможностью обслуживания минимальным
числом специалистов).
6.3.1.	Малогабаритная приемно-регистрирующая станция МПРС-5
Станция МПРС-5 осуществляет прием, запоминание, отображение и передачу
потребителям ТМИ, поступающей по ВЧ-кабелю, с выхода передатчика борто-
вой РТС в структурах всех применяемых в настоящее время бортовых телемет-
рических систем: РТС-9, БИТС, БРС [9].
МПРС обеспечивает [9]:
1.	Прием радиосигнала, поступающего по ВЧ кабелю с выхода передатчи-
ка изделия или с выхода высокочастотного имитатора сигнала в диапа-
зонах частот: М - (160 ... 250) МГц, Д1 - (625 ... 650) МГц, ДП- (1000 ...
1050) МГц, S- (2200 ... 2300) МГц, с шагом настройки во всех диапазо-
нах — 0,1 МГц.
2.	Детектирование ВЧ-сигналов с модуляцией ВИМ-АМ; КИМ-ЧМ;
КИМ-ФМ, АИМ/КИМ-ЧМ.
3.	Прием и обработку телеметрического сигнала с информативностью
(скоростью):
- при модуляции КИМ-ЧМ, КИМ-ФМ - 1024,512, 256,32,16,8 Кбит/с;
при модуляции сигнала АИМ/КИМ-ЧМ - 1280, 640 Кбит/с;
при модуляции сигнала ВИМ-АМ - 25600, 3200 изм/с.
4.	Запоминание (регистрацию) полного потока принимаемой телеметри-
ческой информации на винчестере ПЭВМ с последующим архивирова-
нием информации на магнитном, оптическом диске или DVD. Время
непрерывной регистрации сигнала РТС с максимальной информатив-
ностью — не менее 3-х часов, сигналов структуры БРС — не менее 1
часа.
5.	Отображение на мониторе ПЭВМ каналов (параметров) ТМИ в темпе
ее поступления (или в темпе работы пользователя) в одном из задан-
ных режимов: в виде гистограммы («столбиков» — 64 канала одного
локального коммутатора) либо в аналоговом или кодовом виде в от-
носительных значениях или в процентах относительно калибровочных
значений.
477
Телеметрия в теории'и на практике
6.	Регистрацию на принтере отдельных выбранных параметров в ограни-
ченном временном интервале и «твердой» копии экрана.
7.	Привязку временных меток к единому времени от сигналов системы
единого времени.
8.	Возможность сопряжения с линиями связи, т. е. передачу полного по-
тока принятой информации потребителям для дальнейшей обработки
в виде последовательного кода как в темпе приема телеметрического
сигнала, так и при воспроизведении записанной информации.
9.	Возможность передачу принятой информации на ПЭВМ через адаптер
сопряжения.
10.	Тестовый контроль работоспособности по радио- и видеосигналу.
Параметры выходного сигнала в сечении:
выход УОС (СПОИ, рис. 6.10) с платы передачи информации в линию
связи в структуре последовательного кода С1-ФЛ-КИ;
сигналы биполярные, амплитуда импульсов от ± 1 В до ± 3 В стандар-
тизованы и соответствуют сечениям в действующей телеметрической
аппаратуре;
выход УОС (СПОИ) — параллельный код: уровень ТТЛ.
Электропитание осуществляется от сети переменного тока с напряжением (220
± 10%) В и частотой 50 Гц. Потребляемая мощность не более 600 В А.
В состав аппаратуры входят следующие функциональные модули, каждый из
которых может иметь самостоятельное применение [9]:
а)	преобразователь - усилитель сигнала (УПР);
б)	блок питания УПР;
в)	радиоприемник (РП-ТМ);
г)	система преобразования и обработки информации (СПОИ);
д)	ВЧ-имитатор (ВЧИ);
е)	аттенюатор наборный с затуханием до 50 дБ;
ж)	комплект кабелей;
и)	комплект эксплуатационной документации по ведомости ЭД;
УПР — сменный одноканальный преобразователь-усилитель сигнала, рассчи-
танный на работу в одном из диапазонов волн. Потребитель определяет коли-
чество поставляемых УПР в зависимости от частотных диапазонов бортовых
передатчиков. Аттенюатор устанавливается для регулировки мощности сигна-
478
Г лава 6. Телеметрия в космической отрасли
ла на входе аппаратуры при подаче сигнала по кабелю с выхода передатчика
изделия или с выхода высокочастотного имитатора сигнала (ВЧИ).
В СПОИ входят:
устройство обработки сигнала (УОС);
устройство сопряжения (АС);
персональная ЭВМ (ПЭВМ);
оптический дисковод;
принтер;
комплект кабелей;
комплект эксплуатационной документации;
комплект программного обеспечения.
На рис. 6.10 приведена структурная схема МПРС-5, поясняющая функцио-
нальные связи аппаратуры и взаимодействие ее отдельных частей.
Рис. 6.10. Структурная схема МПРС-5
Высокочастотный телеметрический радиосигнал поступает с выхода передат-
чика изделия или с выхода имитатора высокочастотного телеметрического сиг-
нала по ВЧ-кабелю на вход преобразователя-усилителя (УПР). Для уменыпе-
479
Телеметрия в теории и на практике
ния мощности входного сигнала установлен аттенюатор, величина затухания
которого выбирается с учетом мощности бортового передатчика или ВЧИ и
величины затухания сигнала в соединительном кабеле.
На вход гетеродина преобразователя-усилителя сигнала поступает также опор-
ное напряжение с выхода приемного устройства РП-ТМ. В усилителе-преобра-
зователе производится усиление принятого радиосигнала и преобразование его
частоты в единую для всех рабочих диапазонов первую промежуточную часто-
ту —140 ±50 МГц.
Питание преобразователя-усилителя сигнала осуществляется от блока питания
напряжением 15 В х0,5 А. Сигнал с выхода преобразователя-усилителя посту-
пает на вход приемника РП-ТМ. Радиоприемное устройство является универ-
сальным устройством и подключается к преобразователю-усилителю любого
диапазона волн. При помощи клавиатуры, установленной на приемнике, про-
изводится выбор структуры, рабочей частоты и диапазона волн принимаемого
сигнала.
Приемник (РП-ТМ) осуществляет настройку на конкретную частоту прини-
маемого сигнала и производит усиление, преобразование, фильтрацию и детек-
тирование. Управление производится клавиатурой, расположенной на лицевой
панели приемника. Там же имеется табло, отображающее набранное значение
частоты и установленные режимы работы: вид модуляции принимаемого сиг-
нала и его информативность. Приемник содержит три типа детекторов — амп-
литудный, частотный и фазовый. Преддетекторная фильтрация обеспечивает
оптимальные полосы пропускания для сигналов различной информативности.
Приемник имеет автоматическую регулировку усиления глубиной 60 дБ и ав-
томатическую подстройку частоты в пределах ±150 кГц.
С выхода приемника снимается видеосигнал, который поступает на аппаратуру
СПОИ, на вход устройства обработки сигнала.
В устройстве обработки сигнала производится выделение и формирование син-
хрочастот (символьной, словной, кадровой) в соответствии с информативнос-
тью сигнала и его структурой. Устройство обработки сигнала формирует струк-
туру параллельного кода и направляет ее в ПЭВМ через адаптер сопряжения
(АС), установленный в слот PCI ПЭВМ.
В устройстве обработки сигнала также формируются метки текущего времени
в принятой структуре последовательного двоичного кода с тактовой частотой и
сфазированные меткой единого времени.
При приеме сигнала «Скут», после преобразования и кодирования, образуется
двухбайтовый параллельный код с частотой 640 кГц.
В СПОИ входит комплект ПЭВМ, обеспечивающий обработку, отображение и
контроль принимаемой информации.
480
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
Адаптер сопряжения (АС) с ПЭВМ, позволяет производить ввод /вывод теле-
метрической информации в оперативную память ПЭВМ во всех режимах ра-
боты устройства при различной информативности, в том числе и при приеме
сигналов структуры «Сириус» и «Скут».
Основными задачами, решаемыми специальным программным обеспечением,
установленным на компьютере, являются:
оценка достоверности принимаемой телеметрической информации;
выбор режимов и параметров для обработки в режиме диалога;
отображение в соответствии с командами пользователя телеметричес-
кой информации на экране монитора либо в темпе поступления, либо в
темпе работы пользователя;
представление телеметрической информации выбранных каналов на
экране в одном из заданных режимов (кодовый, аналоговый, гистог-
рамма);
оцифрованная привязка ко времени отображаемой информации;
обеспечение необходимого сервиса пользователю (перемещение визи-
ра по экрану, сканирование по времени телеметрической информации
при поиске интересующих ситуаций, оптимальное использование цве-
тов при отображении информации на экране);
контроль качества получаемой телеметрической информации;
обработка телеметрической информации в целях проведения экспресс-
анализа поведения выбранных параметров, например: определение
шах и min значений параметров, достижение параметрами заданного
значения, элементы допускового контроля, определение существенных
значений параметров, графическое представление в удобной форме па-
раметров 3-й ступени коммутации, представление параметров в значе-
ниях физической шкалы (учет калибровочных уровней);
представление результатов обработки на экране в табличном виде;
документирование на лазерном принтере выбранного участка графи-
ческой информации в виде копии экрана либо результатов обработки в
табличном виде.
Конструктивно приборы, входящие в МПРС-5, выполнены в виде моноблоков
размером 320x160x290мм в соответствии с евростандартом [9].
Все входящие в них устройства выполняются на двухслойных печатных платах
размером 160x100мм, на которых устанавливаются разъемы DIN41612.
Приборы могут устанавливаться на столах или стеллажах.
Общая масса аппаратуры МПРС-5 не более 65 кг.
16 Зак 861
481
Телеметрия в теории и на практике
6.3.2.	Приемно-регистрирующая станция НПРС-9
Приемно-регистрирующая станция НПРС-9 является одним из первых пред-
ставителей отечественных телеметрических систем нового поколения и харак-
теризуется модульным принципом построения, современной элементной базой
и широким использованием аппаратных и программных средств компьютерной
техники в различных трактах аппаратуры, в том числе в основном тракте регис-
трации и оперативного представления телеметрической информации [10].
Находясь в составе аппаратуры измерительных пунктов, станция НПРС-9
позволяет заменить комплекс МА-9МКТМ-4. При этом решаются как задачи
приема и регистрации ТМИ, так и задачи первичной обработки и оперативного
анализа телеметрической информации. Ввод в эксплуатацию станции НПРС-9
не требует новых антенных систем, обеспечивая работу с антенным комплек-
сом МА-9МКТМ-4.
Стыковка станции НПРС-9 с комплексами обработки СТИ-90, «Крым» обеспе-
чивается по стандартному информационному сечению (магнитограмма комп-
лексов МА-9МКТМ) без применения специализированной аппаратуры ввода.
Конструктивно станция выполнена в виде приборных стоек и ПЭВМ индус-
триального или офисного исполнения, оснащенных источниками бесперебой-
ного питания. Функциональное и конструктивное исполнение НПРС-9 обес-
печивает возможность создания варианта состава станции в зависимости от ее
назначения.
Станция НПРС-9 обеспечивает:
прием телеметрических сигналов в частотных диапазонах 164...250 МГц,
625...649 МГц, 1001... 1044,5 МГц, вид модуляции ВИМ-АМ, КИМ-ЧМ,
КИМ-ФМ: информативность принимаемого телеметрического сигна-
ла ВИМ-АМ - 25600, 12800, 6400 и 3200 изм/с; КИМ-ЧМ - 512, 256,
128, 64,32 Кбит/с; КИМ-ФМ, «Пирит» - 512, 256, 128, 64, 32,16,8,4, 2
Кбит/с;
регистрацию принятой телеметрической информации в структурах
РТС-9 (ВИМ, КИМ-Ц, КИМ-А, БИТС) на магнитооптических дисках
ПЭВМ в сопровождении сигналов времени и ее информационный кон-
троль;
преобразование видеосигналов и формирование потока телеметри-
ческой информации для потребителей (в том числе для старого парка
средств отображения) в структуре соответствующей стандартам Глав-
космоса, стандарту ПСС, информативностью до 1024 бит/с;
формирование кода текущего времени в виде непрерывного счета се-
кунд или в виде часов, минут и секунд, привязанных к сигналам служ-
бы Единого времени (СЕВ);
482
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
сбор служебной информации, формирование и запоминание последо-
вательного кода служебной телеметрии, в котором попадается инфор-
мация о режимах работы аппаратуры, об углах поворота антенн, о ха-
рактеристиках принимаемого сигнала;
формирование и выдачу потока телеметрической информации, слу-
жебной телеметрии и кода текущего времени в широкополосный канал
связи в структуре С1-ФЛ-КИ;
прием, регистрацию и обработку информации, поступающей с выхода
широкополосного канала связи;
воспроизведение зарегистрированной информации и выдачу ее в ши-
рокополосный канал связи и в комплексы обработки;
двухчастотный прием (два потока информации) или 100%-е резерви-
рование при одночастотном приеме.
Эксплуатационно-технические характеристики и состав станции можно увидет
в PDF-файле, размещенном на сайте издательства www.nit.com.ru.
6.3.3.	Комплекс аппаратуры обработки и регистрации цифровой
информации «Литон-3»
Комплекс аппаратуры обработки и регистрации цифровой информации
«Литон-3» предназначен для использования в качестве рабочего места опера-
тора в распределенной системе приема, регистрации, обработки и отображения
телеметрической информации.
В	состав «Литон-3» входят следующие элементы:
персональный компьютер, комплектуемый по заказанной спецификации;
устройство преобразования и коррекции «Литон-3»;
адаптер сопряжения «Литон» (плата установлена в системном блоке
компьютера);
видеомагнитофон;
- устройство гарантированного питания (устанавливается по дополни-
тельному требованию).
В зависимости от используемого программного обеспечения аппаратура
«Литон-3» может выполнять следующие функции:
прием сигналов параллельного телеметрического кода систем ВИМ,
КИМ-Ц, БИТС-2, «Пирит» с целью записи и воспроизведения на се-
рийном видеомагнитофоне стандарта VHS и записи на дисковые нако-
пители;
483
Телеметрия в теории и на практике
ввод телеметрической информации в персональный компьютер типа
PC АТ при записи и воспроизведении;
вывод параллельного кода телеметрической информации в режимах за-
писи и воспроизведения;
каталогизацию записей и управление.процессом записи и воспроизве-
дения от ПЭВМ;
прием видеосигнала телеметрических систем КИМ-Ц, БИТС-2,
(ВИМ), «Пирит», преобразование в параллельный код с целью записи,
воспроизведения, выдачи на выход и ввод в ПЭВМ;
формирование структуры наземного времени;
имитацию телеметрического потока;
обработку принимаемой информации по заданным алгоритмам с печа-
тью в файл или на принтер;
оперативное представление информации в реальном времени с отобра-
жением на экране монитора;
прием сигналов телеметрических систем и их преобразование для пе-
редачи в реальном времени по 10/100 Мбит сетям без применения
адаптивного сжатия;
прием сигналов телеметрических систем и их преобразование для пе-
редачи по малоинформативным каналам связи с использованием раз-
личных алгоритмов адаптивного сжатия информации.
Более подробно о технических возможностях данной аппаратуры можно озна-
комиться в полной версии данной главы, размещенной на сайте издательства
Рис. 6.11. Панель задания конфигурации
484
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
www.nit.com.ru.
Панель задания конфигурации в режиме загружаемой конфигурации имеет
следующий вид (рис. 6.11).
В процессе записи телеметрической информации панель системы имеет следу-
ющий вид (программа WINDLG), представленный на рис. 6.12.
Программа WINDLG позволяет:
конфигурировать систему принимаемого борта;
выбирать конфигурацию видеомагнитофона;
управлять потоком ввода телеметрической информации в компьютер;
устанавливать параметры потока;
контролировать поток телеметрической информации в реальном мас-
штабе времени;
выводить контролируемые параметры на визуальное графическое уст-
ройство в аналоговом или цифровом виде;
записывать поток телеметрической информации надиск;
управлять видеомагнитофоном (записывать телеметрическую инфор-
мацию на видеомагнитофон и воспроизводить);
управлять синхронизатором (выбирать режим синхронизации);
выводить записанные файлы в любом масштабе времени.
Рис. 6.12. Запись ТМИ
485
Телеметрия в теории и на практике
В настоящее время комплекс «Литон-3» успешно работает на северном космод-
роме РФ на ракетно-космическом комплексе «Рокот».
6.3.4.	Малогабаритный переносной телеметрический комплекс
Малогабаритный переносной телеметрический комплекс (МПТК) предна-
значен для приема, накопления и обработки телеметрической информации в
структуре кадров любой из систем «Орбита», БРС-4, РТС-9, «Пирит» [11].
Состав:
-	антенный усилитель;
-	приемник со схемой автовыбора лучшего из каналов приема информации;
-	демодулятор и синхронизатор;
-	имитатор тест-сигналов для контроля работоспособности составных
частей МПТК;
-	аппаратура управления и контроля, обработки, отображения, регис-
трации и воспроизведения телеметрической информации и сигналов
внутренней телеметрии.
Рис. 6.14. Одноканальный вариант
486
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
Режимы работы:
работа - прием телеметрической информации;
воспроизведение - воспроизведение данных с накоплением ПЭВМ;
автоконтроль - автоматизированный контроль работы комплекса;
проверка - контроль комплекса с участием обслуживающего персонала.
Аппаратура МПТК выполнена на современной элементной базе с широким
использованием программируемых логических схем (ПЛИС), цифровой обра-
ботки сигналов, современных компьютеров [11].
Количество рабочих частот, диапазоны принимаемых волн, а также возмож-
ность приема всех радиотелеметрических систем или только одной из них ого-
вариваются при заказе на заводе-изготовителе.
Рис. 6.15. Аппаратура МПТК в рабочем состоянии
Технические характеристики можно просмотреть в полной версии главы, раз-
мещенной на сайте издательства www.nit.com.ru:
Для отработки изделий на технических позициях и для приема телеметричес-
кой информации на малых расстояниях по радиоканалу (до 200-300 км) может
быть применен вариант аппаратуры МПТК с одноканальным приемом инфор-
мации (рис. 6.14).
6.3.5.	Аппаратура приема, регистрации и информационного контроля «Опал-М»
Аппаратура «Опал-М» разработана по техническому заданию КБ «Салют»
[11,15]. Разработка проведенав 1998-1999 гг. коллективом разработчиков НПО
Измерительной техники, ОКБ Ижевского радиозавода и ОКБ Ижевского мо-
487
Телеметрия в теории и на практике
тозавода (рис. 6.16, 6.17).
Рис. 6.16. Переносной вариант исполнения аппаратуры
Целью работы являлось создание универсальной агрегированной аппаратуры,
позволяющей в различных вариантах комплектации обеспечивать как прове-
дение тестовых проверок систем телеизмерений изделий ракетно-космической
техники в условиях контрольно-испытательных станций заводов-изготовите-
лей и технических позиций, так и прием, регистрацию, оперативное представ-
ление телеметрической информации на стартовых позициях испытательных
полигонов.
Рис. 6.17. Настольный вариант исполнения аппаратуры
Аппаратура обеспечивает работу с телеметрическими системами БРС-4, РТС-
9Ц и «Пирит». Прием сигналов бортовых телеметрических систем осуществля-
ется по видеотракту, а также по радиотракту в диапазонах Ml, М2, М3, ДI, ДП,
Д1У со следующей информативностью:
-	320 х 8 Кбит/с (БРС-4);
-	512, 256,128, 64, 32 Кбит/с (РТС-9Ц);
488
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
-	1024, 512, 256,128, 64, 32 Кбит/с («Пирит»).
Принятая информация регистрируется на стандартных накопителях ПЭВМ:
на жестком диске;
оптических дисках;
магнитооптических дисках.
Время непрерывной работы при максимальной информативности - не менее
2-х часов.
Управление аппаратными средствами и информационный контроль регистри-
руемой информации осуществляется встроенными компьютерными средства-
ми, объединенными в локальную сеть под управлением операционной системы
UNIX, что позволяет создавать надежные автоматизированные информацион-
ные системы, эксплуатируемые минимальным составом обслуживающего пер-
сонала.
Конструктивно аппаратура выполнена в переносном (рис. 6.16) и настольном
вариантах исполнения (рис. 6.17) в стандартных 19- дюймовых шасси индус-
триальных ПЭВМ (IPC). Вариант комплектации аппаратуры «Опал-М» для
КИС, обеспечивающий работу с системами БРС-4, РТС-9Ц и «Пирит», ском-
понован в 2-х шасси IPC. Фактически в любом исполнении аппаратура пред-
ставляет собой персональный компьютер, где на жестком диске записаны про-
граммы приема, расшифровки и Ьтображения информации.
Предприятием НПО ИТ разработана малогабаритная антенна для аппаратуры
«Опал-М», представляющей собой современную приемную аппаратуру, зани-
мающую гораздо меньше места по сравнению с комнатой шкафов системы МА-
9МКТМ и позволяющую показывать на дисплее компьютера информацию в
том виде, которая удобна потребителю.
Разработка аппаратуры «Опал-М» была фактически инициирована освоением
и вводом в эксплуатацию БИТС «Пирит». В 2000 г. проведены работы по при-
ему, регистрации и оперативной обработке ТМИ РТС «Пирит» и «Сириус» на
изделиях «Бриз-М» и «Протон-К» соответственно.
6.3.6.	Агрегатируемые антенно-приемные средства «МАРС»
Федеральное государственное унитарное предприятие НИИ космического
приборостроения (ФГУП НИИ КП) разработало и освоило производство ком-
плекса радиопередающих устройств и средств приема и регистрации радиоте-
леметрической информации «Марс» по предварительно согласованным техни-
ческим требованиям потребителя.
Агрегатируемые антенно-приемные средства «Марс» и построенная на их ос-
нове станция «Марс-94П» предназначены для приема, запоминания (регист-
489
Телеметрия в теории и на практике
рации) и отображения радиотелеметрической информации бортовых радиоте-
леметрических устройств РТС-9 (в кадре РТС-9Ц, БИТС-2, БРС-4 («Скут»),
«Орбита-IVMO» и в кадре типа «пакет»). Состав агрегатируемых средств пред-
полагает исполнение в стационарном и в подвижном вариантах. Допускается
раздельная поставка средств. Потребитель в процессе эксплуатации по мере
необходимости может самостоятельно осуществлять «наращивание» исполь-
зуемых средств.
В состав агрегатируемых средств «Марс» входят:
антенные системы метрового и дециметрового диапазонов (Д1, Д2,
Д4);
сменные антенные малошумящие усилители четырех типов (диапазо-
нов М, Д1, Д2, Д4), общие для всех видов модуляции;
(сменные) приемные устройства (диапазонов М, Д1, Д2, Д4) для при-
ема сигналов с видом модуляции КИМ-ЧМ, АИМ-КИМ-ЧМ и КИМ-
ФМ;
унифицированные цифровые приемные устройства для приема инфор-
мации КИМ-ЧМ, АИМ-КИМ-ЧМ и КИМ-ФМ;
наземный навигационный приемник для определения геодезических
координат для оперативного обеспечения геодезической привязки ан-
тенной системы подвижного приемного пункта (при необходимости).
Регистрация принятой радиотелеметрической информации и «распаковка»
зарегистрированной информации осуществляются на основе использования
средств и ПМО потребителя или с использованием регистратора «Литон-4».
Достоверность регистрации информации на видеомагнитофон в составе регис-
траторов «Литон-3» и «Литон-4» - не хуже 1012.
Радиопередающие устройства и антенно-приемные средства (диапазон Д1)
«Марс» в 2000 г. используются при приеме-передаче информации бортовых ра-
диотелеметрических устройств БР-91ЦКМ (разработки и изготовления ОАО
ИРЗ), установленных на разгонных блоках (РБ) «Фрегат».
Указанные средства приема информации входят в состав системы приема и об-
работки информации стартового комплекса (изготовитель НПО им. С. А. Ла-
вочкина).
6.3.7.	Наземная приемно-регистрирующая станция комплекса «Монитор»
Для получения телеметрической информации о состоянии одного или несколь-
ких космических аппаратов в объеме, необходимом для оценки их тактико-тех-
нических и эксплуатационных характеристик, АО НИИРИ разрабатывает ком-
плекс средств передачи и приема телеметрической информации «Монитор»
[8].
490
Г лава 6. Телеметрия в космической отрасли
Универсальность комплекса, модульная структура его бортовой аппаратуры,
возможность варьирования программами телеизмерений позволяют исполь-
зовать его для контроля функционирования широкого класса объектов при их
отработке и эксплуатации.
Выбранные диапазон частот и методы модуляции радиосигналов позволяют
использовать комплекс «Монитор» в рамках международного сотрудничества
в области космической техники.
Составной частью комплекса «Монитор» является информационный комплекс
в составе наземной приемно-регистрирующей станции и комплекс совмещен-
ной командно-телеметрической радиолинии.
Информационный комплекс предназначен для информационного обеспечения
функционирования радиотелеметрической станции [12] и имеет следующие
функции:
прием и обработка исходных технологических данных из канала связи
или информационной сети;
-	ввод и регистрация телеметрического сигнала;
-	программное наведение антенной системы;
-	визуализация и документирование данных по функционированию ра-
диотелеметрической станции в процессе работы с космическим аппара-
том;
выдача обработанной предметной и служебной информации в канал
связи или информационную сеть.
Создается в интересах модернизации существующих радиотелеметрических
станций при переходе на новую информационно-элементную базу.
Рис. 6.18. Внешний вид комплекса
Комплекс совмещенной командно-телеметрической радиолинии предназначен
для передачи на космический аппарат команд управления и получения с КА
квитанций о прохождении команд и телеметрической информации, характери-
зующей техническое состояние аппаратуры КА [13].
491
Телеметрия в теории и на практике
Комплекс совмещенной командно-телеметрической радиолинии состоит из на-
земной станции, бортовой аппаратуры и контрольно-проверочной аппаратуры
для проверки технических характеристик бортовой аппаратуры на заводе-изго-
товителе и технической позиции.
Созданный комплекс совмещенной командно-телеметрической радиолинии
позволяет осуществлять управление КА типа «Микроспутник», КА «СИч-2» или
другими низкоорбитальными КА. Новизна создаваемого комплекса СКТРЛ со-
стоит в следующем:
1. Бортовая аппаратура совмещенной командно-телеметрической радио-
линии разработана с использованием электрорадиоизделий высокой
степени интеграции, выпускаемых передовыми фирмами дальнего за-
рубежья, что позволяет использовать её на малогабаритных КА типа
« М икроспутник».
2. Комплекс совмещенной командно-телеметрической радиолинии ра-
ботает в частотном диапазоне, разрешенном Международным Союзом
электросвязи [13].
6.3.8. Мобильный измерительный пункт РНИИ КП
Мобильный измерительный пункт, разработанный по заказу РКК «Энергия» в
ФГУП РНИИ КП, предназначен для приема, регистрации, отображения, пред-
варительной обработки и передачи в центр управления полетами (ЦУП) теле-
метрической информации в процессе испытаний и эксплуатации различных
изделий ракетно-космической техники. По своим техническим характеристи-
кам Мобильный измерительный пункт является измерительным средством но-
вого поколения [24].
Основной задачей, которую позволяет решить пункт, является обеспечение
приема телеметрической информации с изделий ракетно-космической техники
на необорудованных трассах, а также в тех случаях, когда использование ко-
рабельных и самолетных пунктов невозможно по техническим причинам или
нецелесообразно по экономическим показателям.
Учитывая, что в настоящее время эксплуатируется несколько типов бортовых
телеметрических систем и соответственно несколько типов наземных прием-
но-регистрирующих станций, второй важнейшей задачей пункта является
обеспечение приема всей номенклатуры телеметрической информации одни-
ми и теми же средствами. Кроме того, в аппаратуре пункта заложены широкие
возможности по ее дальнейшей модернизации с целью обеспечения испытаний
и эксплуатации перспективных изделий ракетно-космической техники нашей
страны, а также обеспечения совместных международных проектов.
Мобильный измерительный пункт нового поколения в сравнении с функци-
492
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
ональными аналогами, используемыми в РФ, позволяет значительно снизить
затраты на эксплуатацию измерительных средств за счет сокращения их номен-
клатуры, отказа от капитального строительства и прокладки технических ком-
муникаций. Широкое использование в пункте современных средств вычисли-
тельной техники существенно сокращает затраты па его обслуживание за счет
меньшего числа обслуживающего персонала с одновременным повышением
надежности и качества работы.
Основные преимущества использования мобильного измерительного пункта:
1. Значительно снижаются затраты на эксплуатацию измерительных
пунктов. Для его применения не требуется капитальное строительс-
тво и прокладка технических коммуникаций. Транспортировка пункта
осуществляется с использованием собственных транспортных средств
либо традиционными способами: железнодорожным, авиационным и
морским (речным) транспортом. Численность обслуживающего персо-
нала - минимальная (2-3 человека).
2. Мобильный измерительный пункт обеспечивает прием телеметричес-
кой информации при испытаниях и эксплуатации изделий ракетно-
космической техники как по телеметрическим радиоканалам, так и по
радиоканалам бортовых командных систем.
3.
При создании пункта были
ния и технологии, которые
позволяют с минимальными
доработками адаптировать
пункт под прием телеметри-
ческой информации прак-
тически любой бортовой
телеметрической системы.
Аппаратура пункта обеспе-
чивает прием информации
во всех диапазонах волн (М,
Д1, Д2, Д4) со скоростями до
1024 Кбит/с с различными
видами модуляции и типами
структур сигналов.
использованы новые технические реше-
Рис. 6.19. Мобильный измерительный пункт на двух автомобилях
493
Телеметрия в теории и на практике
4.	Технические решения, заложенные в пункт, позволяют с минимальны-
ми затратами проводить работы по его дооснащению до командно-из-
мерительного. При этом существенной доработки аппаратуры не тре-
буется.
5.	Модульное построение аппаратуры пункта и сохранение в ней стандар-
тизованных информационных сечений существующих измерительных
комплексов позволяет широко использовать функциональные блоки
пункта (антенные системы (рис. 6.20), приемные устройства, аппарату-
ру синхронизации и регистрации телеметрической информации и т. д.)
в составе эксплуатируемых измерительных комплексов для замены мо-
рально устаревшей и выработавшей ресурс аппаратуры. При этом обес-
печивается поддержание работоспособности комплексов, сокращаются
эксплуатационные расходы, расширяются их технические возможнос-
ти и повышаются надежность и качество работы.
Рис. 6.20. Антенная система мобильного измерительного пункта
494
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
Основные режимы работы
привязка пункта, ориентация по сигналам систем «Глонасс», GPS;
программное и ручное наведение антенной системы;
одновременный прием до 4-х потоков телеметрической информации;
отображение и контроль принимаемой информации;
непрерывная регистрация информации;
-	формирование сокращенных потоков и передача по каналам спутнико-
вой связи;
прием целеуказаний и телефонная связь с центром управления полетом.
Области применения мобильного измерительного пункта:
ракеты космического назначения: «Зенит», «Союз-2», «Протон», «Оне-
га», «Аврора»;
разгонные блоки;
долговременные орбитальные станции;
-	транспортные корабли «Союз», «Прогресс»;
низкоорбитальные КА.
6.3.9. Средства сбора и обработки телеметрической информации «Родник»
Комплекс аппаратно-программных средств «Родник» предназначен для созда-
ния систем сбора, регистрации, обработки, анализа, представления и передачи
результатов обработки телеметрической информации в целях обеспечения ис-
пытаний и эксплуатации ракетно-космической техники, а также для примене-
ния в автоматизированных системах управления, в вычислительных центрах
заводов-изготовителей, в системах контроля и диагностики [14].
Рис. 6.21. Внешний вид комплекса (настольный и переносной варианты)
495
Телеметрия в теории и на практике
На базе средств комплекса «Родник» могут создаваться различные информаци-
онно-телеметрические системы для сбора, обработки, анализа, представления
и передачи телеметрической информации на объектах различного назначения:
пристартовых и трассовых измерительных пунктах, на испытательных базах,
вычислительных центрах космодромов и полигонов, вычислительных центрах
главных конструкторов изделий ракетно-космической техники. Особенности
информационно-телеметрической системы «Родник»:
-	современная технология и элементно-конструктивная база;
-	возможность регистрировать и обрабатывать информацию различ-
ных телеметрических систем, в том числе «Скут», РТС-9, «Пирит»,
«Трал», «Орбита» и их модификаций, автономных регистраторов АРГ-
4, «Мир», «Планета»;
-	возможность адаптации к изменениям структуры входных сигналов
без конструктивных доработок путем перепрограммирования програм-
мно-логической матрицы PLM адаптера ввода;
-	высокая производительность, достигаемая за счет совместного исполь-
зования процессора ПЭВМ и RISC-процессора адаптера ввода;
-	сопряжение с широкополосными каналами связи: «Связка», «Примор-
ка» и др.;
-	эффективное системное программное обеспечение.
Подробно об аппаратном составе комплекса и прилагаемомо к нему програм-
мном обеспечении вы можете в полной версии данной главы, размещенной на
сайте издательства www.nit.com.ru.
6.4. ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В
МЕЖДУНАРОДНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПРОЕКТАХ
Особенности реализаций большинства крупных международных космических
проектов характеризуются использованием высокотехнологичного оборудова-
ния для решения различных задач в космосе, из космоса, а также для осущест-
вления экспериментов за пределами Земли.
Необходимость обеспечения функционирования данного оборудования в зна-
чительной степени сказалась на требованиях, предъявляемых к наземным стан-
циям слежения, связи и системам передачи данных из космоса. Целью функци-
онирования телеметрической системы, если таковую можно вообще выделить
из состава телекоммуникационного оборудования того или иного космического
проекта, всегда является надежная и достоверная доставка пользователям, на-
ходящимся в космосе или на Земле, измерительной информации от удаленных
бортовых источников.
496
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
Для отечественных телеметрических систем или телекоммуникационного обо-
рудования (реже — систем управления КА и процессами на его борту), исполь-
зуемого в международных проектах, можно выделить ряд особенностей их пос-
троения и способов функционирования:
1.	Телеметрические системы, системы контроля и диагностики КА пост-
роены как централизованные иерархические системы, основанные на
встроенных в системы средствах и реализации алгоритмов контроля
и диагностики в бортовом вычислительном комплексе. При этом в ка-
честве входной информации для систем управления нередко исполь-
зуются данные систем бортовых измерений, которые в национальных
космических системах традиционно применялись только для передачи
измерений в Центр управления полетом, но не включались в бортовой
контур управления, считаясь ненадежными.
2.	Телеметрические системы, превратившиеся, по сути, в системы сбора
и передачи данных, передают информацию о результатах диагностики
оборудования, а также (преимущественно) информацию о научных эк-
спериментах (за исключением международных связных спутниковых
систем) по одним и тем же выделенным каналам связи. Данный факт
есть следствие стремления осуществить проект с минимальными эко-
номическими затратами на его разработку и сопровождение.
3.	Появление аппаратных средств, основанных на производительных
микропроцессорах, привело к возможности создания систем переда-
чи данных большей производительности и, следовательно, КА боль-
шей сложности и автономности. Эти факты, наряду с техническим и
финансовым состояниями, требуют создания телеметрических систем
большей эффективности, обладающих большими возможностями и ра-
ботающих с меньшими издержками.
4.	Принадлежность различных элементов (сегментов) проекта различ-
ным странам, космическим агентствам и организациям, а также необ-
ходимость обмена телеметрической информацией и аппаратной подде-
ржки друг друга — участников проекта — явились причиной высокой
стандартизации как услуг передачи информации, так и используемого
оборудования.
6.4.1.	Телеметрическое обеспечение проектов «Предвестник», «Интербол»,
«Коронас»
Система сбора научной информации предназначена для информационно-теле-
метрического обеспечения проектов «Интербол», «Коронас-И», «Коронас-Ф»
(рис. 6.23), «Фотон» и др.
Главными особенностями телеметрической системы (разработанной в
497
Телеметрия в теории и на практике
ИЗМИРАН) является использование современной элементной базы и приме-
нение высокоинтеллектуальных технологий на всех этапах разработки [16].
Назначение ССНИ:
-	сбор информации от научной и служебной аппаратуры:
-	хранение информации в период отсутствия радиосвязи;
-	включение и выключение служебной и научной аппаратуры;
-	передача информации по радиоканалу на наземные пункты приема
спутниковой информации;
-	прием управляющей информации по командной радиолинии, хранение
и выдача команд на служебные системы и научный комплекс в задан-
ное время;
- временное обеспечение проводимых измерений.
Для обеспечения необходимой скорости сбора и обработки информации в
ССНИ используется 32-разрядный микропроцессор с тактовой частотой 30
МГц. Для повышения надежности предусмотрено двукратное резервирование
всех систем, причем использование резерва возможно как в «холодном», так и
в «горячем» режимах.
Объем бортовой памяти определяется информационной производительностью
научных приборов и пропускной способностью радиоканала. При скорости
передачи информации 1 Мбит/с за один сеанс связи можно передать -70 Мбайт
информации. Эта величина выбрана в качестве верхнего предела объема блока
памяти. В ССНИ установлено два блока памяти по 32 Мбайт. Для управления
научной аппаратурой используется командная радиолиния с пропускной спо-
собностью 1 Кбит/с.
Функциональная схема ССНИ приведена на рис. 6.22.
Список сокращений:
ТВК - ССД-камера оптического комплекса.
ФТМ-1/2 - фотометры №1 и №2 оптического комплекса.
ФМ-4П	- феррозондовый магнитометр.
МЕП-1	- спектрометр высокоэнергетичных частиц.
УНЧ/ОНЧ - волновой комплекс на диапазон частот 0,1 Гц-23 КГц.
ИД-2	- плазменный комплекс.
RFA - волновой комплекс на диапазон частот 0,1-15 МГц.
Трастер - двигатель малой тяги.
498
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
СО - система ориентации.
КСП и КТ - система контроля питания и температуры.
Приводы - система управления приводами.
Т1700-1 /2 - телеметрические передатчики № 1 и №2.
ПКРЛ-1/2 - приемник командной радиолинии №1 и №2.
НТК	- интерфейс ССД-камеры.
Б КП	- блок коммутации питания.
МК-1/2	- бортовые микрокомпьютеры № 1 и №2.
БП-1/2	- блоки питания №1 и №2.
ЭП-1/2	- блок памяти (32 Мб) №1 и №2.
П1/2/3/4/5 - реле Вкл/Выкл и переключатели.
БС - бортовая сеть (+28 В, -28 В).
вс
Рис. 6.22. Функциональная схема ССНИ проектов «Интербол», «Коронас-И»,
«Коронас-Ф», «Фотон» и др.
499
Телеметрия в теории и на практике
При поданном электропитании ССНИ может находиться в одном из четырех
основных рабочих режимов [16].
1.	Режим записи информации.
2.	Режим воспроизведения информации - предназначен для передачи на
Землю записанной в памяти информации. Информация выводится в
том же порядке, в котором записывалась, то есть в хронологическом.
Бортовой компьютер считывает информацию из памяти побайтно, пре-
образует каждый байт в последовательность импульсов в соответствии
со способом модуляции и выводит на модулятор передатчика информа-
цию, начиная со старшего бита. В режиме воспроизведения информа-
ции опрос приборов не производится.
3.	Режим непосредственной передачи (НП) - предназначен для передачи
данных с научных приборов, проведения отладочных работ по провер-
ке работоспособности ССНИ и тракта радиоканала на борту КА, для
настройки аппаратуры наземных приемных пунктов, а также для при-
вязки бортовой шкалы времени к земному времени. Непосредственная
передача используется в тех случаях, когда требуется длительное вклю-
чение передачи данных на Землю без ущерба для записанной в памяти
информации.
4.	Режим приема команд. В режиме приема команд выполняется прием инфор-
мации по командной радиолинии. Этот режим имеет наивысший приори-
тет. ССНИ переходит в него из любого другого немедленно после обнару-
жения полезного сигнала от приемника командной радиолинии.
Более подробну информацию можно получить из полной версии данной главы,
доступной на сайте издательства www.nit.com.ru.
6.4.2 Телекомтмуникационное оборудование и станции приема телеметричес-
кой ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ «ИРИДИУМ»
Телекоммуникационное оборудование и телеметрические станции системы
«Иридиум» входят в состав ее наземного сегмента. Кроме того, в состав на-
земного сегмента входят абонентские терминалы нескольких типов, шлюзовые
станции, станции передачи команд и приема телеметрической информации, ос-
новной и резервные сегменты управления системой и связью, сегмент запуска
[17,18] (рис. 6.23).
Спутниковые терминалы функционируют следующим образом:
1-й спутниковый терминал вступает в связь с KAi; 2-й спутниковый терми-
нал вступает в связь с KAi+1;
1-й спутниковый терминал после ухода из зоны KAi вступает в сязь с
KAi+2;
500
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
Рис. 6.23. Типы абонентских терминалов системы «Иридиум»
2-й спутниковый терминал после ухода из зоны KAi+1 вступает в связь с
KAi+З и т. д.;
3-й спутниковый терминал находится в резерве и при необходимости мо-
жет заменить 1 (2) спутниковый терминал.
Быстродействующий процессор осуществляет идентификацию персонального
терминала, участвующего в связи, и формирует адресацию в направлении пер-
сонального терминала.
Коммутационное оборудование выполняет следующие функции:
передает линейные/адресные сигналы сигнальной системы для начала
и окончания связи;
передает в случае необходимости сигнальную информацию по общему
каналу для начала и окончания связи;
создает тон и оповещение абоненту для индикации условий разговора;
осуществляет цифровую коммутацию сигналов импульсно-кодовой
модуляции между сигналами терминалов каналов;
вычисляет продолжительность сеанса связи и передает счет пользова-
телю.
Отдельная станция передачи команд на КА и приема телеметрической инфор-
мации задействуется при нештатных ситуациях, когда использование для этих
целей связных радиолиний системы невозможно.
Передача командной информации на КА и передача с КА телеметрической ин-
501
Телеметрия в теории и на практике
формации осуществляется на низкой скорости 1 Кбит/с, при использовании на
КА ненаправленной антенны с квазикруговой диаграммой направленности.
Для уменьшения влияния быстрого изменения фазы сигнала (за счет враще-
ния или «кувыркания» КА в случае нарушения его стабилизации) применя-
ется метод частотной манипуляции с некогерентной обработкой на приеме.
Относительно большой энергетический запас (режим медленнодействия, на-
правленная наземная антенна) необходим для обеспечения устойчивой работы
в условиях энергетических потерь, обусловленных изрезанностью диаграммы
направленности бортовой антенной системы.
Основные характеристики командной и телеметрической радиолиний предс-
твалены в полной версии данной главы, доступной на сайте издательства
www.nit.com.ru.
Предусматривается следующий алгоритм передачи команд. Каждая исходная
команда шифруется для защиты от постороннего доступа и передается на КА;
после дешифровки команды КА передает проверенные информационные сим-
волы, которые принимаются наземной станцией. Символы дешифрируются,
преобразуются в требуемый вид, зашифровываются и передаются на КА. КА
выполняет команду только после подтверждения своих проверочных симво-
лов.
6.4.3.	Аппаратно-программный комплекс приема и накопления научно-измери-
тельной ИНФОРМАЦИИ ПРОЕКТА «МЕТЕОР»
Данные научно-измерительной аппаратуры КА передаются два раза в
сутки во время сеансов связи (разнесенных примерно на 12 час), ког-
да КА «Метеор-ЗМ» №1 находится в Московской зоне радиовидимос-
ти [19]. Параметры радиолинии и передаваемого цифрового сигнала при-
ведены в полной версии данной главы, доступной на сайте издательства
www.nit.com.ru.
Структурно-функциональная схема аппаратно-программного комплекса пока-
зана на рис. 6.24.
Для проведения летных испытаний и последующей эксплуатации научно-изме-
рительной аппаратуры создан специальный аппаратно-программный комплекс
(АПК-2) для приема, регистрации, обработки и анализа научной информации
[19].
Приемная станция построена на базе мобильного антенного комплекса АК1 -КУ.
Доработанная антенная установка, отвечающая требованиям к стационарному
варианту, установлена под радиопрозрачным укрытием. Антенная установка
включает опорно-поворотное устройство и параболический рефлектор. Диа-
метр рефлектора равен 2,6 м. Опорно-поворотное устройство функционирует
по азимутально-угломестной схеме. Помимо антенной системы, приемно-де-
502
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
геофизики
И • писке-п
- переносной магнитный диск
Рис. 6.24. Структурная схема аппаратно-программного комплекса проекта «Метеор»
кодирующего устройства, в состав приемного комплекса входит персональная
ЭВМ (рабочее место оператора) для управления опорно-поворотным устройс-
твом, отображения расчетных и фактических угловых координат, регистрации
и накопления информации. Наведение антенны и слежение за спутником осу-
ществляется на основе предварительных расчетов траектории полета по орби-
тальным характеристикам.
Узел декодирования, действующий по принципу аппаратной кадровой синх-
ронизации цифрового потока, восстанавливает последовательность байтов для
их записи на жесткий диск ПЭВМ рабочего места оператора (РМО). Декодер
настроен на формат и структуру кадров СЕЙДЖ-3 (стандарт CCSDS). Анало-
гичный принцип формирования кадров заложен во все другие потоки данных
остальных научных приборов. Принадлежность кадра конкретному виду аппа-
ратуры представляется отдельным байтом (код прибора), и для каждого прибо-
ра предусмотрена своя собственная порядковая нумерация кадров, кодируемая
также отдельным байтом.
Аппаратно-программные средства обработки данных предназначены для обес-
503
Телеметрия в теории и на практике
печения первого этапа переработки зарегистрированных во время сеансов свя-
зи массивов цифровой научной информации. Этот этап завершается распаков-
кой массива и формированием файлов, относящихся к разным приборам. Эти
операции выполняются непосредственно по завершении приема и первичной
регистрации в управляющей ПЭВМ рабочего места оператора.
Одновременно осуществляется контроль качества сеанса связи. Суть этой опе-
рации состоит в просмотре выделенных кадров с подсчетом количества сбоев
на заданном шаге осреднения по времени (1 мин), а также в целом за сеанс. При
этом анализируются:
-	синхросигналы;
-	байты кода аппаратуры;
контрольная сумма каждого кадра.
Результаты анализа выводятся на экран монитора и вносятся в файл статис-
тики сбоев. По ним оформляется протокол качества сеанса связи с КА, кото-
рый в течение 30 мин направляется в Центр управления полетом (ЦУ П). Такой
оперативный контроль качества связи с КА особенно необходим на начальном
этапе летных испытаний, когда отрабатываются процедуры оперативного уп-
равления процессом сбора данных. Дальнейшие этапы обработки научной ин-
формации осуществляются на автономных рабочих местах, ориентированных
на работу с данными конкретных приборов автоматизированного рабочего
места радиометра (АРМ) МИВЗА и АРМ спектрометра МСГИ-5ЕИ+КГИ-4С.
Информация СЕЙДЖ-3, регулярно принимаемая в специально выделенных
сеансах связи (на 5 и 11 суточных витках), преобразуется в файл первичных
данных, полученных в очередные сутки (время московское). Аналогично пред-
ставляется массив принимаемых два раза в сутки данных прибора-радиометра
МТВЗА.
В рамках этой технологии реализуется полный цикл обработки данных, накоп-
ленных в БНД при штатном режиме работы радиометра. Программное обеспе-
чение разработано средствами Visual C++.
Более подробную информацию о работе отдельных составляющих и всего ком-
плекса в целом можно в полной версии главы, размещенной на сайте издатель-
сва www.nit.com.ru.
6.4.4.	Телекоммуникационная станция «Славянка»
Телекоммуникационная станция «Славянка» разработана для нужд образо-
вания партнёром Института ЮНЕСКО по информационным технологиям в
образовании — Особым конструкторским бюро Московского энергетического
института (ОКБ МЭИ) [20]. ОКБ МЭИ имеет в своём распоряжении систему
космических телепортов, обеспечивающих доступ во все основные российские
504
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
и международные спутниковые сети, а также располагает арендованными ре-
сурсами на российских геостационарных ИСЗ. Данные технические ресурсы
использованы при создании внешней коммуникационной среды Института
ЮНЕСКО по информационным технологиям в образовании [21].
Внешняя среда Института представляет собой спутниковую телекоммуника-
ционную подсеть или спутниковый сегмент (рис.6.25), связанные телепортами
с другими сетями. Основными техническими компонентами этой сети являют-
ся:
Земная станция спутниковой связи «Славянка», используемая в Фо-
кальных центрах Института ЮНЕСКО;
Станция управления спутниковой сетью связи (Hub Station);
взаимосвязанная система телепортов Центра космической связи ОКБ
МЭИ для доступа в другие коммуникационные сети.
Ресурсы бортовых ретрансляторов российских геостационарных КА с точками
стояния 17° ЗД (LMI), 40° ВД (Горизонт), 103° ВД (Экспресс 2) или других
аналогичных [20].
Рис. 6.25. Фрагмент спутникового сегмента корпоративной сети
Земная станция спутниковой связи «Славянка» относится к цифровым стан-
циям типа VSAT [21].
Основные характеристики станций семейства «Славянка» и более подробная
информация доступна в полной версии главы на сайте издательства www.nit.
com.ru.
505
Телеметрия в теории и на практике
6.4.5.	Информационно-телеметрическое обеспечение проекта
«Воздушный старт»
Текст данного раздела доступен в полной версии главы, размещенной на сайте
издательства www.nit.com.ru.
6.4.6.	Применение радиомодемов в космической телеметрии
Текст данного раздела доступен в полной версии главы, размещенной на сайте
издательства www.nit.com.ru.
6.4.7.	Комплекс по приему, обработке и представлению телеметрической
информации проекта «Спектр-Рентген-Гамма»
Основу проекта «Спектр-Рентген-Гамма» составляет выведенная на высокую
(рис. 6.35) околоземную орбиту астрофизическая обсерватория («Спектр-РГ»)
общей массой 5,9 тонн, имеющая большой набор научной аппаратуры для про-
ведения исследований в широком диапазоне длин волн. Обсерватория «Спектр-РГ»
может проводить уникальные научные исследования: мгновенные наблюдения
в широком энергетическом диапазоне источников ультрафиолетовых лучей и
жесткого рентгеновского излучения, тонкую спектроскопию внешних источ-
ников, измерение поляризации, мониторинг всего неба, изучение космических
гамма-вспышек и их послесвечений [26].
Расширенная информация по данному разделу доступена в полной версии гла-
вы, размещенной на сайте издательства www.nit.com.ru.
506
Глава 6. Телеметрия в космической отрасли
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 6
1.	Бортовая телеметрическая аппаратура космических летательных
аппаратов. — М.: Машиностроение, 1977.-208с.
2.	Аппаратура информационно телеметрических систем ИТС «Орбита-
IVMO». Краткие сведения. ФГУП ОКБ МЭИ, 2001 .-31с.
3.	Калашников И.Д. и др. Комплекс средств «Пирит» для построения
информационно-измерительных систем // Приборы и системы
управления, 1993, №9.-с. 1-4.
4.	Мыскин В. Отладка «Бриз-М». — Газета «Все для Родины», 1998,
№38.
5.	Сборка «Бриз-М» отработана. — Газета «Все для Родины», 1998, №37.
6.	Орбита-4ТМ (http://neurocom.webzone.ru/rus/product/orbita.htm).
7.	Ижевский радиозавод (ТА-932, БР-91ЦК-Н4) (http://www.irz.ru).
8.	ОКР «Хвыля» (http://www.niiri.com.ua/All/Hvilya/Hvilya.htm).
9.	Малогабаритная приемно-регистрирующая станция МПРС-5. АИД С.
461271.005 ТО.
10.	Приемно-регистрирующая станция НПРС-9. НАИЯ. 463315.002.ЭД.
И. Унифицированная наземная аппаратура приема телеметрической
информации (http://www.telemetria.nm.ru/tl_%201.htm).
12.	Информационный комплекс телеметрической станции (http://www.
niiri.com.ua/Sppti/IC_RTS.htm).
13.	ОКР «Хвыля» (http://www.niiri.com.ua/All/Hvilya/Hvilya.htm).
14.	Модифицированные аппаратно-программные средства сбора,
регистрации передачи, обработки и представления телеметрической
информации «Родник» (http://www.nppmera.ru/tele.htm).
15.	http://www.mosoblpress.ru/yarosl/showshtml?d_id=777
16.	Телеметрическая система проекта ПРЕДВЕСТНИК-Э
(http://www.izmiran.rssi.ru).
17.	http://www.tecckom.ru/iridium_about.php
18.	http://www.alphatelecom.ru/iridium/
19.	http://old.ntsomz.ru/imgcatalog/InfoFiles/m3ref/apparat.htm
20.	http://www.e-joe.ru/sod/97/2_97/st067.html
21.	Создание внешней коммуникационной среды ИИТО на базе
телекоммуникационной станции «Славянка» (http://www/iite.ru/
507
Телеметрия в теории и на практике
KIEV-blue/gubonin.htm).
22.	Егоров К.М. Информационно-телеметрическое обеспечение АРК-КН
«Воздушный старт» (http://www.airlaunch.ru/russian/news/air_cosm.
htp).
23.	Карпов А.В. «Воздушный старт - проект нового века» (http://www.
airlaunch.ru/russian/news/air_cosm.htp).
24.	http://www.spacecorp.ru/main/abilities-tele/
25.	http://www.rodnik.ru/htmls/about_6.htm
26.	«Спектр-Рентген-Гамма» — международная орбитальная
астрофизическая обсерватория (http://hea.iki.rssi.ru/SXG/sxg_OO/
rus/index.html).
27.	Каличев С.А., Бунтов М.В., Чулков И.В. Комплекс по приему,
обработке и представлению телеметрической информации проекта
«Спектр-Рентген-Гамма». Институт космических исследований
(ИКИ) РАН, 2002 (http://lex.iki.rssi.ru/papers/share/dssc/indcx.
html#_Toc4841203#_Toc4841203).
508
Глава 7.
Телеметрия в современной
промышленности и энергетике.
Телемеханика
7.1.	ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ В
СОВРЕМЕННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКЕ
Общие положения
Современные промышленные объекты, как правило, характеризуются
сложностью и комплексностью технологических процессов, а также про-
странственным разносом отдельных функционирующих блоков и систем
по отношению к центру (центрам) управления. Для такого типа объектов
очевидна необходимость применения соответствующих автоматизирован-
ных систем сбора информации о процессе и оборудовании, замкнутых на
системы контроля и управления.
Система телеметрии совместно с системами и устройствами управления об-
разует в итоге систему телемеханики, которая способна эффективно решать
как задачу достоверного контроля состояния технологического процесса и
оборудования, так и задачу эффективного управления всем технологичес-
ким комплексом.
В качестве областей применения систем телемеханики целесообразно ука-
зать: химическая, нефтеперерабатывающая и металлургическая промыш-
ленность, атомная энергетика, производство медицинских и фармакологи-
510
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
ческих продуктов и материалов и т. п.
Особенностями рассматриваемых систем телемеханики является их комп-
лексность: множество существенно разнотипных параметров (температура,
давление, уровни, расходы, электрические параметры и т. д.) при их одно-
временном группировании по отдельным системам блоков и процессам. Та-
кая комплексность, как правило, сочетается с широким спектром частотно-
временных характеристик телеметрируемых параметров промышленных
объектов. В результате возникает необходимость локализации интеграль-
ных оценок по группам оборудования и введение локального управления в
отдельных технологических сечениях всего производственного процесса.
Очевидна специфика построения систем телемеханики таких комплексных
технологических объектов, по сравнению «с менее комплексными» про-
странственно-протяженными системами дистанционного контроля и уп-
равления. Такими как энергопередающие и энергораспределяющие систе-
мы и сети, нефтегазотранспортные системы, железнодорожный транспорт
и т. п. Эта специфика определяется тем, что вторая группа промышленных
объектов имеет явное доминирование к пространственной протяженности
при достаточной ограниченности типов телеметрируемых процессов и обо-
рудования.
Именно для комплексных производственных объектов, требующих высокой
точности измерений, разнотипности измеряемых параметров, пространс-
твенной распределенности телеметрируемого (промышленного) объекта и
точности управления, система телеметрии может стать средством повыше-
ния эффективности функционирования и повышения конкурентоспособ-
ности продукции.
Современные мировые тенденции
Все мировые лидеры в этой области активно следят за последними дости-
жениями в области датчиковой аппаратуры и вычислительной техники,
в частности микропроцессорной. Такие известные концерны, как Assea
Brown Bowery (ABB), Siemens, Westinghouse и другие, постоянно работа-
ют над совершенствованием всех аспектов технологий для телеметрии объ-
ектов. Выпускается большое число рекламных материалов с описаниями
действующих промышленных объектов и применяемых на них системах
телемеханики. Выпускаются демонстрационные версии программных про-
дуктов. Применяются различные способы внедрения на рынок АСУ ТП и
конкурентной борьбы за выживание.
В разработке концепции и при проектировании системы телемеханики для
промышленных объектов наблюдается устойчивая тенденция на примене-
511
Телеметрия в теории и на практике
ние универсальных аппаратных и программных средств. Универсальность
этих средств сочетается с тенденцией учета особенностей технологическо-
го процесса и специфики оборудования и максимальной адаптации систе-
мы телемеханики к этим особенностям. Конечной целью такого сочетания
универсальности и специализации является максимальная эффективность
функционирования промышленного объекта и его конкурентоспособность.
Критерием оптимальности может служить, например, известный критерий
«эффективность-стоимость».
В связи с общим развитием техники и появлением широкого класса новых
материалов с уникальными свойствами наблюдается явная тенденция со-
вершенствования датчиковой аппаратуры. Появляются типы датчиков с
возможностями, ранее считавшимися недостижимыми. Мировые произво-
дители датчиковой аппаратуры активно конкурируют на рынке. В резуль-
тате разработчики систем телеметрии имеют в своем распоряжении широ-
кий спектр датчиков с высокими техническими характеристиками, легко и
просто сопрягаемых с блоками сбора, обработки и контроллерами.
В области разработки программных средств также наблюдается тенден-
ция разработки универсального инструмента, позволяющего специалисту
быстро и эффективно решать проблемы сбора, обработки, представления
информации и управления промышленными объектами, а также приспосо-
биться к особенностям процесса.
7.2.	СИСТЕМА ТЕЛЕМЕТРИИ КАК ИНФОРМАЦИОННАЯ
ЧАСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Понятие телемеханики
Основным направлением совершенствования управления современными
технологическими процессами в промышленном производстве является со-
здание автоматизированных систем управления (АСУ ТП). Любой процесс
управления можно представить состоящим из трех этапов:
•	сбор информации о процессе и состоянии технологического обору-
дования;
•	обработка полученной информации и принятие управленческих ре-
шений;
•	выработка и передача команд управления.
512
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
Если все операции процесса управления осуществляются без участия пер-
сонала, система управления называется автоматической. Если же в про-
цессе управления при сборе и обработке информации, выработке команд
управления и передаче их на объект управления наряду с техническими
средствами участвует персонал, то система управления называется автома-
тизированной.
Современная система управления технологическим процессом являет-
ся человеко-машинную системой. Она представляет собой совокупность
методов и средств, обеспечивающих наиболее эффективное выполнение
функций управления на основе использования методов и средств вычисли-
тельной техники. Основным звеном АСУ ТП, несущим информационные и
управленческие функции является система телемеханики.
По определению телемеханика - отрасль техники и техническая наука о
контроле и управлении на расстоянии посредством преобразования кон-
тролируемых параметров и управляющих воздействий в сигналы, пере-
даваемые по линиям связи. Телемеханика изучает проблемы, связанные
с управлением технологическими процессами пространственно - распре-
деленных промышленных объектов.
Контроль и управление осуществляется из центра управления, который мо-
жет находиться на значительном расстоянии от объекта. Именно поэтому
термин “телемеханика” включает в себя слово “теле”. Понятие “механика”
однозначно предполагает механическое перемещение предметов.
На ранних стадиях развития телемеханика действительно была связана
исключительно с механическим воздействием на объекты контроля (вклю-
чение-выключение на расстоянии различных электромеханических реле,
контакторов и т.п.). Однако с развитием электронной техники и особенно
с внедрением в контур управления ЭВМ термин “телемеханика” в своем
первоначальном смысле стал достаточно условным.
В мировой литературе в настоящее время широко используется обобщаю-
щий термин TELECONTROL, который удачно объединяет понятия “управ-
ление” на расстоянии и “контроль” независимо от характера воздействия на
объект (механического, электрического или другого). Поэтому в отечест-
венной литературе часто встречается словосочетание “телеконтроль и те-
леуправление”, либо применяется традиционный термин “телемеханика”,
если иметь в виду его условность в упомянутом выше смысле.
Термин “телемеханика”, если под ним понимать телеконтроль (информаци-
онная часть АСУ ТП) и управление, включает в себя более частные понятия,
связанные с функциями телемеханических систем: телеметрия (измерение
и передача данных о значениях непрерывных и сигнальных параметров о
17 Зак. 861
513
Телеметрия в теории и на практике
состоянии управляемого процесса) и телеуправление (телерегулирование)
течением технологического процесса.
SCADA — ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
В последнее время появился сокращенный термин, удачно объединя-
ющий функции телемеханических устройств в системах управления:
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), что в дословном пе-
реводе означает: “система сбора данных и оперативного диспетчерского
управления”.
Различные SCADA-системы представляют собой комплекс программно-
аппаратных средств, связанных между собой в соответствии с международ-
ным стандартом ОРС в единую систему взаимодействия между аппаратны-
ми и программными компонентами SCADA-системы. Термин ОРС (OLE
for Process Control - Object Linking and Embedding for Process Control) оз-
начает стандартный интерфейс связывания и внедрения объектов для сис-
тем сбора данных и управления.
Применение стандарта ОРС для АСУ ТП обеспечивает универсальный ме-
ханизм обмена данными между
•	датчиками,
•	исполнительными устройствами,
•	контроллерами,
•	устройствами связи с объектом управления и системами
•	обработки и представления технологической информации,
•	оперативного диспетчерского управления,
•	системами управления базами данных.
Производители аппаратных и программных средств, пользуясь стандартом
ОРС, имеют возможность разрабатывать единственный ОРС-сервер для
обеспечения единственного и наиболее общего способа организации досту-
па к данным телеконтроля и передачи в адрес приложений-клиентов других
производителей, поддерживающих стандарт ОРС.
Разработка систем телемеханики (включая программные и аппаратные
средства), позволяющих на их основе создавать современные SCADA-сис-
темы, обеспечивает высокоэффективный уровень современного производс-
тва.
514
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
7.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ СИСТЕМАМ
ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Промышленный объект(ПО) как обобщенный прототип широкого класса
технологических установок и комплексов. Общие положения.
Рассматривая широкий спектр разнотипных технологических установок и
комплексов можно выделить некий обобщенный(ПО), который в дальней-
шем и целесообразно рассмотреть в качестве объекта телемеханики. В ка-
честве основных характеристик такого ПО можно определитьт следующие:
•	Сложность апппаратурно-технологической схемы,
•	Многостадийность и разветвленность технологического процесса,
•	Использование токсичных и других опасных реагентов,
•	Необходимость постоянного мониторинга состояния сырьевых
запасов, отходов и сбросов, а также окружающей среды,
•	Требования постоянной оценки предаварийной обстановки на
всем ПО,
•	Пространственно разнесенное оборудование,
•	Круглосуточный режим работы.
В качестве примеров подобных ПО можно указать химические комплекс-
ные производства, комплексы по переработке отходов, производству удоб-
рений, установки для производства ароматических веществ, металлурги-
ческие комплексы, производства изотопов и т.п.
Изложенные основные характеристики ПО определяют и современный
подход к определению комплекса технических требований к СТ такого ПО.
Функционируя совместно с ПО, СТ должна обеспечить выполнение всех
своих функций с учетом сложности и специфики ПО, причем с достаточ-
ной полнотой, надежностью и воспроизводимостью.
СТ для ПО представляет собой автоматизированную систему телеметрии
(сбора, обработки, представления, архивирования информации и т.п.),
совмещенную с системой управления процессом обогащения и режимами
работы отдельных технологических блоков. Уровень управления и согла-
сования обеих указанных функций СТ определяется разработчиками ПО:
разработчиками технологического процесса и аппаратурно-технологичес-
кой схемы его реализации. При этом сохраняется основная концепция
построения информационно-аналитической системы, системы управления
515
Телеметрия в теории и на практике
и их объединения в единый комплекс анализа и управления технологичес-
ким процессом любой производительности.
Технические требования к системе управления в данной главе детально не
рассмотрены, так как требуют специальной конкретизации и формулиров-
ки применительно к конкретному процессу и задачам управления. Однако
все возможные требования к системе управления уже практически учтены в
комплексе изложенных требований к СТ. Возникновение дополнительных
специальных требований, например диктуемых спецификой технологичес-
кого процесса, как правило не вызовут проблем учета в принципах постро-
ения и реализации СТ.
В практике, часто на предварительном этапе создания нового ПО, целесо-
образно разработать макет технологической установки, опытный стенд или
экспериментальный промышленный модуль для экспериментальной про-
верки и отработки, снятия рисков невыполнения проекта, а также тренинга
персонала. Для таких случаев также целесообразно использовать СТ. Одна-
ко структуру такой «усеченной» СТ и ее элементную базу следует строить
с учетом всех требований, предъявляемых к современной СТ полномасш-
табного ПО. Результаты проведенной экспериментальной работы с «усе-
ченной» СТ на макетах и стендах учитываются и автоматически перекла-
дываются на принципы построения СТ полномасштабного ПО. Очевидно,
что при такой стратегии работ переход от «усеченной» СТ к СТ ПО будет
практически осуществлен без качественного изменения структуры системы
и базового состава элементной базы и, естественно, при минимальной сто-
имости работ.
Структура СТ ПО, принцип построения и используемая элементная база
должны отвечать современным принципам построения систем телеметрии
и управления технологическими процессами с учетом обеспечения высо-
кой надежности, достоверности получаемых данных, непрерывности фун-
кционирования и малой скорости морального старения.
С учетом изложенного ниже сформулированы все дальнейшие положения
и требования для обобщенного ПО.
Заметим, что изложенные положения и требования в основном справед-
ливы как для изучения и отработки режимов на стадии изучения сложных
технологических процессов, практически на любом макете или экспери-
ментальном стенде (например, в случаях химического изотопного обмена
в колоннах, получения ароматических веществ, очистки методами дистил-
ляции и ректификации и т.п.), так и для стадии промышленного запуска и
отладки режимов работы промышленного оборудования и его групп.
516
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
Задачи системы телемеханики
Система телемеханики в составе оборудования обобщенного ПО как прави-
ло должна решать следующие основные задачи:
•	производить сбор и обработку параметров, характеризующих
состояние отдельных блоков и узлов основного и вспомогатель-
ного оборудования, обеспечивающего функционирование групп
базового оборудования;
•	обеспечивать своевременную сигнализацию для предупрежде-
ния о возникновении предварийных и аварийных ситуаций и
локализовать место возникновения нарушения режима;
•	архивировать обработанные результаты телеметрии в течение
заданного периода времени и представлять их по мере необходи-
мости в принятом формате отображения;
•	обеспечивать автоматическое (а также ручное) формирование
управляющих сигналов для изменения режимов работы отде-
льного оборудования и текущих значений параметров в соот-
ветствии с алгоритмом функционирования оборудования и при
возникновении нештатных ситуаций.
Требования к структуре системы телемеханики
Значимые геометрические размеры ПО и особенно многометровая высота
отдельных систем определяют многоуровневую и пространственно-распре-
деленную структуру построения СТ. При этом структура системы должна
отвечать требованиям современных систем сбора данных и оперативного
диспетчерского управления, представляющих собой программно-аппарат-
ные комплексы на базе вычислительной и микропроцессорной техники
(Supervisory Control and Data Acquisition System - SCADA-система).
При этом все элементы SCADA-системы должны отвечать требованиям
международного ОРС-стандарта, обеспечивающего совместное функцио-
нирование программных и аппаратных средств в составе SCADA-системы,
независимо от фирм-поставщиков элементов.
Весьма существенным следует признать в этом отношении и влияние «че-
ловеческого фактора»: как с точки зрения трудностей прямого оператив-
ного обслуживания пространственно разнесенного (например высотного)
оборудования, так и с точки зрения визуального контроля большого коли-
чества (сотни и тысячи) датчиков, обработки и осмысливания поступающей
информации и принятия конкретных решений о конкретных управляющих
517
Телеметрия в теории и на практике
действиях. Традиционно применяемая до сих пор на российских и бывших
советских производствах т.н. система «КИПиА технологического комплек-
са или отдельных установок, широко использующая многочисленные щи-
товые измерительные и регистрирующие приборы, должна быть признана
как устаревшая во всех отношениях.
Требования к элементной базе
Исходя из требований, предъявляемых к структуре СТ, ее элементная база
должна удовлетворять следующим основным требованиям:
•	обеспечивать создание пространственно-распределенной систе-
мы сбора данных;
•	обеспечивать магистрально-модульный принцип построения
системы, облегчающей ее адаптацию и модификацию в случае
необходимости коррекции структуры системы;
•	отвечать требованиям ОРС-стандарта;
•	обеспечивать высокую надежность и оптимальность по крите-
рию «эффективность-стоимость»;
•	обеспечивать функционирование в заданном диапазоне изме-
ряемых и контролируемых параметров (температура, давление,
уровни электрические параметры и т.п.;
•	обеспечивать функционирование в диапазоне заданных внешних
условий эксплуатации, в т.ч. в режиме внештатных ситуаций ;
•	обладать достаточной помехозащищенностью, исключающей
получение ложной информации, и исключению помех, влияю-
щих на работу других частей ПО и на качество питающей элек-
трической сети.
Требования к программному обеспечению
Система телемеханики, построенная в соответствии с требованиями
SCADA-систем, обуславливает специфические требования, предъявляе-
мые к программному обеспечению:
•	программное обеспечение должно представлять собой интегри-
рованный комплекс программных средств, включающих в себя
все необходимые для создания современного человеко-машин-
ного интерфейса (HMI) и SCADA-приложений с поддержкой
ОРС-стандарта;
518
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
•	комплекс должен работать под управлением Windows 95/98/
NT/2000/XP/Vista/CE и иметь средства обмена данными по
последовательному каналу связи;
•	комплекс должен обеспечивать возможность создания пользо-
вательских приложений, допускающих написание специальных
программ для создания мнемонических схем на экране дисплея
и реализации специфических программ управления;
•	программное обеспечение должно обеспечивать динамическое
отображение изменения контролируемых параметров процесса
обогащения и их привязку к физическим каналам ввода-вывода;
•	в состав комплекса программных средств должны входить, про-
граммы, обеспечивающие генерацию отчета о текущем состоя-
нии процесса ректификации, работе отдельных приоритетных
блоков и систем оборудования, архивацию данных телеметрии
и своевременный прогноз, предсказание, обнаружение и иденти-
фикация аварийных и других событий, связанных с контролиру-
емым процессом и состоянием технического оборудования.
Изложенные требования являются достаточными при разработке подавля-
ющего большинства СТ. Однако естественно, что особенности некоторых
технологических процессов и применяемого специального оборудования
ПО могут потребовать введения дополнительных. Примерами такого спе-
циального процесса и оборудования могут быть комплекс оборудования
работающий в условиях на шельфовой нефтедобывающей платформе (спе-
циальные условия работы ПО и СТ) или технологический комплекс специ-
ального оборудования по утилизации радиоактивных отходов (специаль-
ные материалы ПО).
7.4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ
СИСТЕМ ТЕЛЕМЕХАНИКИ
7.4.1.	Задачи системы телемеханики
Современная СТ ПО представляет собой автоматизированную систему
контроля состояния (и управления) технологическим процессом с исполь-
зованием современных методов измерений, средств сбора, обработки, ана-
лиза и представления данных о ходе процесса, архивирования и функций
управления.
519
Телеметрия в теории и на практике
Весь комплекс СТ должен обеспечивать решение следующих основных задач:
•	текущий контроль состояния отдельных блоков и узлов ос-
новного и вспомогательного оборудования, обеспечивающего
функционирование ПО;
•	текущий контроль параметров процессов в отдельных техноло-
гических сечениях;
•	комплексный контроль процесса в отдельных группах техноло-
гического оборудования;
•	обеспечение своевременной сигнализации о возникновении
аварийных ситуаций.
По возможности комплекс СТ должен в наиболее полной степени обеспе-
чивать формирование и выдачу управляющих сигналов для изменения те-
кущих значений параметров оборудования в соответствии с алгоритмом
функционирования отдельных блоков или всего ПО.
7.4.2.	Особенности измеряемых и анализируемых
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Основной анализируемый процесс можно представить в виде некоего ком-
плексного достаточно сложного технологического процесса. В качестве
примера можно задать перечень следующих групп контролируемых пара-
метров
а)	Пределы изменений параметров непосредственно в технологическом
процессе:
•	Температуры - указываются конкретные пределы,
•	Давления - указываются конкретные пределы,
•	Расхода отдельных реагентов, - указываются конкретные преде-
лы,
•	Уровни некоторых жидких реагентов - указываются конкретные
пределы,
•	и т.п.
б)	Пределы изменений параметров в дополнительном оборудовании:
• Указываются аналогично.
в)	Максимальные скорости изменения параметров процессов во времени
520
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
в режиме нормального функционирования:
•	температура
•	давление
•	уровни и т.п.
г) Максимальные скорости изменения параметров процессов во времени
в режиме аномального функционирования:
• Указываются аналогично.
7.4.3.	Система телеметрии
Ядром системы телемеханики должна быть телеметрическая система, пред-
назначенная для выполнения следующих функций:
•	измерение группы параметров, характеризующих состояние
отдельных узлов и деталей, а также по возможности непосредс-
твенно процессов;
•	представление результатов измерений в форме, удобной для
дальнейших операций;
•	сбора данных о состоянии отдельных блоков и узлов ПО и о
текущих параметрах процесса;
•	обработки данных с целью получения информации о состоянии
отдельных узлов ПО и характере протекания процесса в отде-
льных его сечениях;
•	преобразования результатов обработки к виду, обеспечивающе-
му оперативное восприятие человеком-оператором информации
о текущем состоянии процесса с помощью дисплея (дисплеев);
•	ведение архива данных о процессе с целью ретроспективного
анализа хода протекания процессов ПО;
•	сигналов, предупреждающих о нарушениях режима и возникно-
вении аварийной ситуации;
•	решения диагностических задач с целью определения и своевре-
менной локализации места возникновения нарушения режима,
меняющего характер протекания процесса.
•	по возможности телеметрическая система также должна обес-
печивать выработку решения об управляющем воздействии в
случае обнаружения тенденции отклонения параметров процес-
са от нормы.
521
Телеметрия в теории и на практике
7.4.4.	Состав системы телеметрии промышленных
объектов
Для выполнения указанных функций система телеметрии в своем составе
должна иметь:
•	набор датчиков, непосредственно воспринимающих параметры
процесса и преобразующих их в электрические сигналы;
•	аппаратуру сбора и преобразования этих сигналов для представ-
ления телеметрируемых параметров в размерных величинах;
•	аппаратуру отображения с использованием одного или несколь-
ких дисплеев;
•	инженерный пульт для ручного ввода уставок, тарировочных ха-
рактеристик датчиков, выдачи управляющих воздействий и др;
•	аппаратуру архивирования, обеспечивающую непрерывную ре-
гистрацию обработанных данных в течение заданного периода
времени;
•	аппаратуру цветовой, звуковой и световой сигнализации для
предупреждения о возникновении предаварийных и аварийных
ситуаций;
•	средства контроля состояния и режимов работы систем инфра-
структуры обогатительного каскада (системы электроснабже-
ния, водоснабжения, вакуумирования и т.п.);
Система телеметрии должна иметь выход на локальные регуляторы, пред-
назначенные для управления технологическим процессом. Система телемет-
рии также должна вырабатывать сигналы различных блокировок, отключе-
ний и т.п. в случаях возникновения нештатных и аварийных ситуаций.
С целью повышения надежности комплекса и достоверности получаемой
информации и, учитывая специфику процессов, непрерывность и долго-
временность работы ПО и отдельных групп оборудования , должна быть
обеспечена аппаратурная и информационная избыточность, а также беспе-
ребойность электропитания.
7.4.5.	Структура системы телеметрии
ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Исходя из перечисленных функций и предполагаемого состава, современ-
ная система телеметрии должна строится на базе вычислительной техни-
522
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
ки с использованием программного обеспечения, позволяющего в полном
объеме решать специфические задачи телеметрии и обеспечивать решение
смежных задач управления.
Значительные геометрические размеры и протяженность в пространстве
конструктивных элементов ПО определяют многоуровневую и пространс-
твенно-распределенную структуру системы телеметрии.
Существует большое разнообразие вариантов организации и построения
структуры системы телеметрии для такого типа ПО. Однако наиболее пол-
но структуре построения рассматриваемого варианта ПО отвечает система
телеметрии, удовлетворяющая требованиям SCADA-систем.
Как уже было отмечено ранее, SCADA-система (Supervisory Control and
Data Acquisition System) - система сбора данных и оперативного диспет-
черского управления представляет собой программно-аппаратный комп-
лекс, создаваемый на базе вычислительной и микропроцессорной техники.
При этом все средства комплекса взаимодействуют на основе стандарта
ОРС (OLE for Process Control). Следует отметить, что независимо от
фирмы-поставщика стандарт ОРС, признанный и поддерживаемый всеми
ведущими фирмами производителями SCADA - систем и оборудования,
обеспечивает совместное функционирование программных и аппаратных
средств, входящих в состав SCADA-системы.
Стандарт ОРС предоставляет разработчику системы телеметрии техноло-
гического процесса возможность выбирать оптимальные для своей систе-
мы компоненты, а не ориентироваться, как раньше, на «монолитные» реше-
ния, предлагаемые тем или иным поставщиком.
Исходя из структуры SCADA-системы, аппаратура системы телеметрии
практически любого промышленного объекта должна быть представлена
на следующих трех уровнях.
•	Уровень 1 (датчиковый уровень) - уровень сопряжения с про-
цессом. На этом уровне находятся датчики и регуляторы, рас-
положенные на рабочих элементах колонн. Датчики непосредс-
твенно воспринимают параметры телеметрируемого процесса
и преобразуют их физические значения в электрические сигна-
лы. На регуляторы поступают управляющие сигналы, обеспечи-
вающие оптимальность ректификационного процесса.
•	Уровень 2 (уровень контроллеров) - уровень сбора данных
с каждой колонны (или группы фрагментов колонн). На этом
уровне с помощью микропроцессорных систем осуществляет-
ся программный опрос датчиков, первичная обработка данных
523
Телеметрия в теории и на практике
(фильтрация помех, преобразование аналоговых выходных
значений датчиков в цифровой код, сравнение с уставками в
случае допускового контроля и т.п.). С этого уровня предвари-
тельно обработанные данные по стандартному последователь-
ному каналу (например, RS-485) передаются на третий уровень.
Кроме того, через этот уровень на регуляторы (исполнительные
механизмы) первого уровня могут поступать управляющие сиг-
налы.
•	Уровень 3 (уровень диспетчерского управления) - уровень
вторичной обработки данных, анализа, отображения и архи-
вирования параметров процесса. На этом уровне производит-
ся комплексная обработка данных, полученных в основном от
групп оборудования и контрольных сечений технологическо-
го процесса. Предполагается также возможность оперативного
прямого доступа с этого уровня практически любому элементу
любого другого уровня.
Уровень 3 диспетчерского управления используется в основном с целью по-
лучения интегральной оценки качества процесса ПО. Здесь же осуществля-
ется преобразование информации о текущем состоянии отдельных групп
оборудования и отдельных блоков к виду, удобному для их отображения.
Кроме того, данные, поступающие со второго уровня, подвергаются допол-
нительной обработке с целью уменьшения избыточности для компактного
их представления при архивировании. На этом же уровне производится
распечатка (по запросу оператора) как текущих данных о процессе, так и
ретроспективных.
7.4.6.	Информационная структура системы телеметрии
ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Предварительный анализ основных показателей условного стандартного
технологического процесса, а также особенности работы отдельных блоков
и узлов ПО, определяют следующий набор датчиков:
•	датчики давления (разрежения);
•	датчики температуры;
•	датчики электрических токов и напряжений;
•	датчики уровней (жидкостей);
•	датчики веса (объема) и т.п..
524
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
Все указанные датчики как правило относятся к группе аналоговых с точ-
ностью преобразования физической величины в электрический сигнал не
лучше 1...2 процентов. Кроме аналоговых датчиков должны также исполь-
зоваться и контактные, фиксирующие состояние телеметрируемых уст-
ройств в положениях ”включено”-”выключено”.
В связи с тем, что построение системы телеметрии на современном уров-
не предполагает использование вычислительной и микропроцессорной
техники, в состав телеметрической аппаратуры должны входить аналого-
цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие кодирование аналого-
вых сигналов с датчиков в двоичный код. Для оценки общего количества
телеметрирумых параметров ориентировочно примем, что все отдельные
группы оборудования ПО содержат одинаковое число датчиков.
Условно примем также, что весь комплекс оборудования ПО выполнен в
виде N групп блоков и элементов.
С учётом возможных дополнительных резервных блоков и устройств общее
количество всего оборудования в группах будет на 10% больше.
При этом в каждой группе должно быть определенное число датчиков: тем-
пературных, давления, влажности, уровня и т.п.(в сумме по «к» датчиков в
группе). В итоге для обеспечения телеконтроля всего ПО суммарное число
датчиков должно быть увеличено в 1,1Nk раз как минимум
Кроме того, для контроля инфраструктуры ПО необходимо измерять груп-
пу дополнительных параметров, например внешней среды, параметров от-
ходов. Число таких датчиков контроля внешней инфраструктуры ПО до-
бавляется к общему количеству датчиков производственного процесса ПО.
Помимо перечисленных групп аналоговых датчиков, в систему теле-
метрии должны входить контактные датчики. Если их общееечиелло обоз-
начить как кк, то Итоговое количество 1,1Nk+kbh+kk определяет объем и
информационную структуру системы телеметрии. На практике это число
на одного дежурного оператора уровня 3 диспетчерского управления колеб-
лется от сотен до нескольких тысяч, в зависимости от сложности и особен-
ностей ПО и динамики технологического процесса.
7.4.7.	Выводы
В качестве выводов по данному разделу хотелось бы отметить следующее:
1.	Ядро информационно-аналитического комплекса практически для
любого сложного и динамичного технологического процесса и ПО
525
Телеметрия в теории и на практике
целесообразно реализовать в виде системы телеметрии.
2.	Система телеметрии ПО должна строится на основе средств вы-
числительной и микропроцессорной техники по магистрально-мо-
дульному принципу в виде пространственно -распределенной систе-
мы.
3.	Структура системы телеметрии должна соответствовать структуре
SCADA-системы с возможностью использования оборудования,
отвечающего требованиям стандарта ОРС.
4.	Общее количество телеметрируемых параметров практически не-
ограничено, однако из практических соображений рекомендуется на
уровне несколько сотен и первых тысяч.
5.	Система телеметрии должна быть более детально проработана как
с точки зрения элементной базы, так и с точки зрения сопряжения
со специальных оборудованием ПО, учитывая при этом специфику
процессов, оборудования и всего ПО.
7.5.	ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ
ТЕЛЕМЕХАНИКИ
7.5.1.	Выбор и обоснование элементной базы
Основные требования, предъявляемые к элементной базе
Исходя из особенностей технологического процесса и схемы построения
обогатительного каскада, элементная база телеметрической системы долж-
на удовлетворять следующим основным требованиям:
•	обеспечивать магистрально-модульный принцип построения
системы;
•	обеспечивать возможность создания пространственно-распреде-
ленной системы;
•	отвечать требованиям ОРС-стандарта;
•	обеспечивать оптимальность по критерию «эффективность -
стоимость».
526
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
Магистрально-модульный принцип обеспечивает построение телеметри-
ческой системы с использованием сменных электронных модулей, под-
ключаемых к стандартной межмодульной магистрали в базовом объеди-
нительном блоке. При широкой номенклатуре модулей представляется
возможность создания телеметрической системы, оптимальным образом
соответствующей критерию «эффективность - стоимость» и обладающей
способностью к расширению и модернизации.
Пространственная распределенность системы требует использования по-
левых промышленных шин (Ethernet, Fieldbus, RS-485, Hart или AS-интер-
фейс) для соединения базовых блоков, что обеспечивает существенное со-
кращение кабельной сети и оптимальное пространственное распределение
базовых блоков.
Необходимость удовлетворения требованиям ОРС-стандарта обусловлена
следующим. PC - OLE for Process Control (механизм связывания и внед-
рения объектов для сбора данных и управления в системах промышлен-
ной автоматизации) является наиболее общим способом взаимодействия
между различными источниками и приемниками данных, такими как ус-
тройства, базы данных и системы визуализации информации о контроли-
руемом объекте. ОРС-стандарт обеспечивает интерфейс между приложе-
ниями-клиентами и серверами путем реализации стандартного механизма
связи между источниками данных (серверами) и получателями данных
(клиентами).
Поскольку аппаратные средства разных производителей имеют различные
и притом фиксированные протоколы обмена, архитектура приложений-
клиентов также является уникальной в каждом конкретном случае. Это
приводит к увеличению времени разработки и стоимости системы телемет-
рии, а любое изменение, внесенное производителем в устройство или про-
токол обмена, требует внесения изменений в функционирующую систему.
Архитектура клиент-сервер, основанная на технологии ОРС, позволяет
решить эту проблему.
В данном случае устройство каждого производителя может иметь единс-
твенный стандартный драйвер, совместимый с ОРС (ОРС - сервер). При
этом приложения, соответствующие спецификации, выработанной для
клиента ОРС (ОРС - клиенты), могут обмениваться с устройствами любо-
го производителя.
Выбор элементной базы
Существенным при выборе элементной базы телеметрической системы,
527
ТЕЛЕМЕТРИЯ В ТЕОРИИ И НА ПРАКТИКЕ
отвечающей приведенным выше требованиям, является выбор фирмы-
производителя, чья продукция реализуется в России. Анализ продукции
как отечественных, так и зарубежных фирм, позывает, что в наибольшей
степени требованиям построения телеметрической системы практичес-
ки любого технологического процесса и промышленного объекта отвечает
аппаратура зарубежных фирм таких как: WAGO I/O, Grayhill, Advantech,
Pepperl+Fuchs и Siemens. Продукция этих фирм распространяется и обес-
печивается в России фирмой ПРОСОФТ.
Аппаратура указанных фирм, отвечающая требованиям ОРС-стандарта,
отличается конструктивными, информационными и стоимостными харак-
теристиками, а также возжностью работы с той или иной полевой шиной.
К настоящему времени наиболее широкое распространение в пространс-
твенно-распределенных системах сбора и обработки данных с использо-
ванием вычислительной и микропроцессорной техники получила пос-
ледовательная шина на базе интерфейса RS-485. Поэтому при выборе и
обосновании элементной базы системы телеметрии некоего обобщенного
технологического процесса и соответствующего ПО будем исходить, пре-
жде всего, из возможности работы аппаратуры с указанным интерфейсом.
С этой точки зрения большой выбор оборудования для построения систе-
мы телеметрии предоставляет фирма Advantech. Фирма выпускает ши-
рокую гамму электронной аппаратуры. В нее входят как различного вида
промышленные рабочие станции и встраиваемые компьютеры, так и уст-
ройства для создания пространственно-распределенных систем сбора дан-
ных и управления. Среди последних для построения системы телеметрии
интерес представляют модули серии ADAM (Advantech Data Acquisition
Modules - модули фирмы Advantech для сбора данных).
В настоящее время выпускается несколько серий таких модулей. Анализ
технических и стоимостных характеристик показал, что оптимальными ха-
рактеристиками для построения системы телеметрии некоего обобщен-
ного технологического процесса и соответствующего ПО обладают модули
серии ADAM-5000, отвечающие требованиям ОРС-стандарта.
Очевидно, что со временем будут появляться более совершенные серии (на-
пример уже вышедшая серия ADAM-6000), которые могут быть также ис-
пользованы при разработке и создании систем телемеханики.
Основные сведения об устройствах серии ADAM-5000
Устройства серии ADAM-5000, предназначенные для построения про-
странственно-распределенных систем сбора данных и управления, обес-
528
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
печивают выполнение следую- щих функций:
•	ввод-вывод аналоговых параметров,
•	ввод-вывод дискретных параметров,
•	первичное преобразование информации,
•	прием команд от удаленной вычислительной системы и переда-
ча в ее адрес преобразованных данных с использованием интер-
фейса RS-485 или Ethernet.
Серия ADAM-5000 состоит из базового блока и набора модулей ввода-
вывода. Базовый блок содержит процессор на основе микроконтроллера
80С188 и кросс-платы для подключения модулей ввода-вывода. Базовый
блок выпускается в двух вариантах: с кросс-платой с четырьмя и восьмью
слотами.
Использование модулей серии ADAM-5000 для построения системы теле-
метрии обогатительного каскада позволяет обеспечить гибкость конфигури-
рования системы и входящих в нее устройств в зависимости от количества
и вида телеметрируемых параметров, а также от расположения ректифи-
кационных колонн. Устройства серии ADAM-5000 могут объединяться в
многоточечную сеть на базе интерфейса RS-485 или Ethernet, управляемую
центральным компьютером. Применение локально устанавливаемых мо-
дулей ввода-вывода позволяет существенно снизить затраты на монтаж, а
также обеспечивает повышенные удобства в процессе обслуживания.
Базовые блоки используют двухпроводную линию для связи с управляю-
щим компьютером по мультиабонентским сетям на базе интерфейса RS-485
или просто включаются в имеющуюся локальную сеть Ethernet. Подклю-
чение сигналов с выходов датчиков к модулям осуществляется с помощью
фронтального терминального соединителя с винтовой фиксацией, обес-
печивающего возможность оперативного присоединения и повышенные
удобства при обслуживании.
Технические характеристики устройств серии ADAM-5000
Устройства серии ADAM-5000 имеют следующие основные технические
характеристики:
•	максимальное количество базовых блоков, объединяемых одной
двухпроводной мультиабонентской линией на базе интерфейса
RS-485, равно 256;
•	к модулям одного восьмислотового базового блока может быть
529
Телеметрия в теории и на практике
подано до 128 дискретных или до 64 аналоговых сигналов с дат-
чиков;
•	настройка диапазонов и типов входных аналоговых сигналов
производится с центрального компьютера по той же двухпро-
водной мультиабонентской линии на базе интерфейса RS-485
или с помощью переносного компьютера, подключаемого к отде-
льному базовому блоку через интерфейс RS-232C;
•	протокол обмена строится на базе ASCII-кодов;
•	скорость передачи данных до 115 кбод:
•	имеется гальваноразвязка по входу/выходу/питанию;
•	для исключения зависания программы работы каждый базовый
блок содержит сторожевой таймер (watch-dog);
•	питание базовых блоков нестабилизированное от +10 до +30 В с
защитой от неправильной полярности при подключении поляр-
ности.
•	диапазон рабочих температур: от -10 до +70°С.
7.5.2. Выбор и обоснование математического
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Основные требования, предъявляемые к математическому обеспечению
Информационно-аналитический комплекс ПО и входящая в его состав те-
леметрическая система, построенная базе устройств ADAM-5000, обуслав
ливают специфические требования, предъявляемые к математическому
обеспечению. Основным является требование, заключающееся в том, что
математическое обеспечение должно представлять собой интегрирован-
ный комплекс программных средств, включающих в себя все необхо-
димое для создания современного человеко-машинного интерфейса
(HMI) и SCADA-приложений с поддержкой ОРС-стандарта. При этом
комплекс должен работать под управлением Windows 95/98/NT/2000/
XP/Vista/CE и иметь средства обмена данными по последовательному ка-
налу связи.
Комплекс программных средств должен иметь специальную оболочку для
построения пользовательских приложений, исключающих написание про-
граммного кода и сводящего весь процесс разработки к «рисованию» сис-
530
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
темы на экране с последующей привязкой к физическим каналам ввода-выво-
да. Для построения комплексных систем и организации сложных алгоритмов
обработки данных должна быть предусмотрена возможность разработки про-
грамм с помощью встроенного языка VBA(Visual Basic for Application).
Кроме указанных требований, существенным является цена математичес-
кого обеспечения. Сюда входит и цена лицензий на исполнительные моду-
ли интегрированного комплекса, и зависимость этой цены от числа тегов
(входов-выходов) системы.
Исходя из особенностей функционирования ПО, важным требованием яв-
ляется обеспечение генерации отчета о текущем состоянии технологическо-
го процесса, архивация данных телеметрии и своевременное обнаружение,
идентификация аварийных и других событий, связанных с контролируе-
мым процессом и состоянием технических средств ПО.
В настоящее время имеется достаточно большое количество программных
средств, отвечающих сформулированным выше требованиям. Например,
Advantech Studio, GeniDAQ(Advantech), Trace Mode (Россия), InTouch
фирмы Wonderware, WinCC фирмы Siemens и GENESIS32 фирмы Iconics.
Сравнительный анализ указанных программных пакетов (по литератур-
ным данным и консультаций со специалистами) показал значительные
преимущества пакета GENESIS32 фирмы Iconics по ряду параметров, ко-
торые следует считать основными и наиболее существенными для рассмат-
риваемого класса технологических процессов и ПО.
Во-первых, данный пакет обладает компонентностью (в отличие от других
«монолитных» пакетов). Компонентная архитектура позволяет приобре-
тать только нужные компоненты и на необходимое количество точек вво-
да-вывода (тегов). Это обстоятельство позволяет экономить финансовые
средства при лицензировании своих программных компонентов, количес-
тво и состав которых определяются прикладной задачей.
Во-вторых, пакет GENESIS32 по сравнению с другими пакетами имеет
в своем составе мощные и гибкие средства для создания графических эк-
ранных форм с минимальными затратами труда и времени. При этом па-
кет содержит обширную библиотеку графических символов (примитивов)
с возможностью ее расширения пользователем.
В-третьих, в пакет входят компоненты, обеспечивающие широкие воз-
можности для построения различных графических зависимостей контро-
лируемых параметров, их архивации и генерации отчетов.
В-четвертых, пакет GENESIS32 содержит в своем составе программный
компонент, обеспечивающий обнаружение, фильтрацию и представление
531
Телеметрия в теории и на практике
информации об аварийных событиях.
Все указанные основные преимущества пакета GENESIS32 определяют
целесообразность принять его в качестве математического обеспечения ин-
формационно-аналитического комплекса основных технологических про-
цессов и ПО.
Описание пакета GENESIS32
Пакет GENESIS32 является комплексом 32-разрядных приложений для
Windows 95/ 98/NT/2000, построенных в соответствии со ОРС-стандар-
том. Пакет GENESIS32 предназначен для создания программного обеспе-
чения сбора данных и оперативного диспетчерского управления верхнего
уровня систем промышленной автоматизации.
В состав пакета входит также среда разработки и исполнения сценарных
процедур VBA, обеспечивающая возможность разработки части програм-
много обеспечения средствами Visual Basic for Application для приложений,
входящего в состав в пакет MS Office 2000. Все программные компоненты
реализованы на базе многопотоковой модели и поддерживают технологию
ActiveX.
В состав пакета GENESIS32 входят следующие компоненты (клиентские
приложения), соответствующие ОРС-стандарту:
•	GraphWorX32,
•	TrendWorX32,
•	AlarmWorX32,
•	ScripWorX32.
Эти компоненты могут заказываться и применяться как в составе пакета,
так и автономно. Кроме того в состав пакета входит большое число допол-
нительных приложений и инструментальных средств разработки.
Все приложения, входящие в состав GENESIS32, могут использоваться
бесплатно для разработки проектов. Имеется возможность активизации
временной 30-дневной лицензии, позволяющей создавать и тестировать
проекты любой сложности с неограниченным количеством точек ввода-
вывода (однако, по истечении 30 дней пакет прекращает функционирова-
ние, если не куплена соответствующая лицензия).
Рассмотрим далее более подробно назначение и возможности каждого из
компонентов пакета.
GraphWorX32 является инструментальным средством, предназначенным
532
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
для визуализации контролируемых технологических параметров и опе-
ративного диспетчерского управления, который полностью соответству-
ет ОРС-стандарту и поддерживает технологии ActiveX и OLE (Object
Linking Embeded).
Основные характеристики GraphWorX32. Наличие инструментов для со-
здания экранных форм и динамических элементов отображения
•	Встроенная среда редактирования сценарных процедур с помощью
VBA
•	Динамизация элементов отображения со временем обновления гра-
фической информации 50 мс
•	Поддержка шаблонов экранных форм, содержащих наиболее часто
используемые графические объекты
•	Возможность взаимодействия с приложениями MS Office (MS Word,
MS Excel, MS Access и др.)
•	Наличие обширной и расширяемой пользователем библиотеки эле-
ментов отображения, ориентированных на построение мнемосхем
промышленных объектов
•	Наличие встроенного редактора выражений для выполнения мате-
матических, функциональных, логических и других операций над
данными.
TrendWorX32 обеспечивает накопление и представление текущих данных
в виде графических зависимостей от времени. Кроме того, TrendWorX32
является средством архивации накапливаемой информации в базах данных
с возможностью последующего извлечения и представления в виде отчета
или графика.
Основные характеристики TrendWorX32:
• Представление значений контролируемых параметров, получаемых от
серверов ОРС, на графиках различных типов в реальном масштабе вре-
мени. Поддерживаются следующие виды графиков:
•	зависимость от времени;
•	логарифмическая зависимость от времени;
•	гистограмма;
•	круговая диаграмма;
•	зависимость одного параметра от другого.
533
Телеметрия в теории и на практике
•	Возможность построения графических зависимостей на основе данных
пользователя с помощью сценариев VBA или внешних приложений
•	Архивирование значений контролируемых параметров в базах данных
MS Access, MS SQL Server, Oracle и Microsoft Data Engine (MSDE)
•	Вычисление статистических характеристик выборок значений контроли-
руемых параметров
•	Возможность одновременного просмотра текущих и исторических дан-
ных в одной области построения
•	Вывод графиков на печатающее устройство
•	Генерация отчетов в базах данных и MS Excel
AlarmWbrX32 является набором программных компонентов, предна-
значенных для обнаружения аварийных событий, оповещения операто-
ра, приема подтверждений восприятия информации об аварийных собы-
тиях и регистрации информации об авариях в базе данных.
Основные характеристики AlarmWorX32:
•	Обнаружение аварийных событий по множеству критериев и при-
знаков, устанавливаемых пользователем
•	Простое оповещение персонала об обнаруженных аварийных со-
бытиях путем прерывистого отображения информации об аварии и
звукового сигнала
•	Голосовое оповещение персонала об обнаруженных аварийных си-
туациях
•	Оповещение персонала путем автоматического дозвона по коммути-
руемым каналам связи (пейджер, e-mail, факс) с передачей сообще-
ний об аварийных событиях и приемом подтверждений восприятия
от ответственных лиц
•	Персональное планирование оповещения для привлечения к мероп-
риятиям по устранению аварийной ситуации только дежурного пер-
сонала
•	Анализ аварийных событий и действий ответственного персонала
•	Связь с аппаратными средствами через интерфейсы ОРС
534
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
7.6.	ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕТРИИ
ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Разработка концепции построения системы телеметрии (СТ)
1.	Изучение технологического производственного процесса и инфра-
структуры ПО.
2.	Выделение принципиальных особенностей процесса и ПО с точки
зрения их учета в концепции и в структурной схеме СТ.
3.	Разработка концепции и структурной схемы СТ.
4.	Обоснование и выбор элементной базы.
5.	Обоснование и выбор программного обеспечения.
6.	Разработка варианта «усеченной» СТ для случая проведения экспе-
риментальных стендовых испытаний оборудования или технологи-
ческого процесса.
Предварительная разработка отдельных узлов и блоков СТ, проверка и
отладка и ее элементов.
7.	Автономные (лабораторные) проверки исследования характеристик
различных датчиков (температуры, давления, вакуума, уровней, по-
токов и т.п.) и согласование характеристик их выходных сигналов
с входными параметрами системой сбора и обработки информации
(вне стенда).
8.	Автономные исследование характеристик контактных датчиков.
9.	Исследования влияния внешних факторов на точность и достовер-
ность проводимых измерений в месте размещения ПО (в частности
исследования наводок по сетям питания, уровня электромагнитного
излучения, тряски, шумов и т.п.)
Отработка СТ для случая экспериментального стенда или технологичес-
ких испытаний макетов оборудования.
10.	Разработка окончательно версии стендового оборудования. Созда-
ние окончательного варианта «усеченной» СТ.
И. Разработка мнемонической схемы для случая «усеченной» СТ ПО.
Для случая отсутствия варианта макетов и стендов такая разработка
делается сразу для ПО.
12.	Программирование динамики его работы с отображением на экране
дисплея.
535
Телеметрия в теории и на практике
13.	Комплексные исследования (экспериментальная отработка) харак-
теристик всех датчиков. Тарировка датчиков.
14.	Проведение измерений в условиях стандартных режимов рабооты
оборудования.
15.	Запуск стенда в режим. Получение результатов измерений комплек-
сных параметров всех процессов. Согласование работы всех отде-
льных блоков и оптимизация разработанной системы сбора, обра-
ботки, представления и архивирования информации.
16.	Использование разработанной СТ для целей отработки технологи-
ческих режимов работы отдельных блоков и устройств:
а)	по отдельным параметрам технологического оборудования,
б)	по отдельным типам и типо-размерам исполнения,
в)	по группам блоков и устройств в отдельных ветвях процесса,
17.	Использование разработанной СТ для моделирования режимов пре-
даварийных и аварийных блокировок и нестандартных ситуаций:
а)	по электропитанию,
б)	по охлаждению (например конденсаторов) и превышению
давления,
в)	по нарушению герметичности отдельных блоков (особенно
для опасных процессов и веществ),
г)	по несанкционированным действиям обслуживающего персонала;
д)	по др. нештатным режимам, в т.ч. внешним воздействиям.
Перенос данных с «усеченной» СТ для стендового оборудования на пол-
номасштабную СТ (для всего ПО).
18.	Выдача конечных рекомендаций по переносу разработанной «усе-
ченной» СТ на полномасштабный ПО с учетом выявленных недо-
статков, пожеланий, реализации новых возможностей и планов, в
т.ч. для дальнейшего совершенствования ПО и технологического
процесса.
19.	Уточнение структуры СТ, размещению, типам и количеству датчи-
ков, программным средствам.
20.	Уточнение мнемонической схемы для ПО. Программирование
уточненного варианта отображений на экране дисплея и архивиро-
вания.
536
Глава 7. Телеметрия в современной промышленности и энергетике
Отработка СТ совместно с элементами управления (телемеханика).
21.	Разработка систем управления отдельными блоками или технологи-
ческими сечениями. Экспериментальная отработка на исполнитель-
ных элементах (вне ПО или на моделях).
22.	Отработка системы управления отдельными блоками или техноло-
гическими сечениями в комплексе. Оптимизация режимов управле-
ния.
23.	Разработка принципиальной электрической (силовой) схемы управ-
ления отдельными блоками или технологическими сечениями ПО в
комплексе.
Формирования принципиальных схем для конечного варианта СТ для
данного ПО.
24.	Разработка принципиальной электрической схемы электропитания
всех устройств, задействованных в СТ ПО.
25.	Разработка принципиальной схемы системы сбора данных о теку-
щих параметрах всех процессов ПО. Разработка принципиальной
схемы системы контроля инфраструктуры ПО.
26.	Разработка формы протоколов выдачи данных, работы оборудова-
ния и контроля процессов. Разработка и обоснование приоритетов.
Монтаж и запуск систему телеметрии.
27.	Монтаж СТ на поэтапно монтируемом оборудовании.
28.	Опытная эксплуатация смонтированной системы (ее частей) на от-
дельных фрагментах оборудования и в отдельных процессах ПО по
мере его построения и запуска.
29.	Разработка предложений по дальнейшей модификации и усовер-
шенствованию СТ в процессе запуска оборудования ПО.
Окончательного оформления эксплуатационной документации СТ и ПО в
соответствии с действующими ГОСТами и международными стандартами.
537
Для заметок
Глава 8.
Телеметрия в атомной
промышленности
8.1.	ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕТРИИ В АТОМНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Атомная промышленность была и остается одной из самых высокотехно-
логичных и наукоемких областей науки и техники в мире. Процессы и ус-
тановки в этой отрасли всегда требовали точных и надежных измерений,
эффективной обработки данных, оперативной оценки текущего состояния
и надежного долговременного прогнозирования развития событий.
Полноценное развитие систем телеметрии в российской атомной энергети-
ке долгие годы сдерживалось ограничениями на использование комплекту-
ющих иностранного производства. Тем не менее прогрессивной тенденцией
80-х гг. следует признать применение магистрально-модульного принципа
построения информационных систем на базе системы КАМАК, широко
распространявшееся в 80-х гг.
Достижения 90-х гг. в области специальной датчиковой аппаратуры, элек-
троники и компьютерной аппаратуры придали резкий толчок к широкому
применению систем телеметрии (телемеханики) с использованием матери-
алов и изделий иностранных производителей, в основном США, Японии и
Западной Европы.
Особенности физико-химических свойств и потенциальная опасность при-
меняемых в отрасли радиоактивных и ядерных материалов требуют соблю-
540
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
дения строгих необходимых мер и правил при разработке и производстве
всех применяемых информационно-измерительных систем и в первую оче-
редь систем дистанционного контроля. При этом процедуре сертификации
подвергаются не только отдельные изделия и системы, но и сами постав-
щики оборудования для атомной энергетики. Это производится, как прави-
ло, в форме сертификации всего комплекса производства с выдачей соот-
ветствующего сертификата качества. Такие предприятия имеют постоянно
действующую систему менеджмента качества.
Традиционно системы телеметрии в атомной энергетике носят название
системы дистанционного контроля, сбора и обработки данных. В случаях,
если они непосредственно связаны с системами управления, они превраща-
ются в АСУ ТП.
Можно отметить следующие особенности систем телеметрии в связи со
спецификой процессов и аппаратов этой отрасли:
значительная структурная и функциональная избыточность всех
элементов систем телеметрии на наиболее ответственных и потен-
циально опасных установках и аппаратах;
-	радиационная стойкость датчиковой аппаратуры;
использование групп разнотипных датчиков радиации, позволяю-
щих измерять разные виды радиоактивных излучений (рентгеновс-
кое, гамма-, нейтронное и др.);
долговременная надежность датчиков при работе в условиях одно-
временного воздействия нескольких факторов;
невозможность в любое время провести калибровку градуировоч-
ных (тарировочных) характеристик датчиков излучений и др.
Целесообразно обозначить следующие направления в атомной промышлен-
ности и энергетике, применение систем телеметрии в которых несомненно
повысит эффективность исследовательских и промышленных установок и
производств (в соответствии со схемой топливного цикла):
реакторные установки исследовательского и промышленного ти-
пов;
установки и производства по обогащению урана;
производства ядернога топлива и топливных элементов;
переработка отработавшего ядерного топлива и обращение с радио-
активными отходами;
541
Телеметрия в теории и на практике
хранение ядерных и радиоактивных материалов;
-	долговременное хранение (захоронения) ядерных и радиоактивных
материалов;
производство радиоактивных источников для медицины, науки и
промышленности;
производства стабильных (нерадиоактивных) изотопов;
системы радиоактивного мониторинга, контроля окружающей сре-
ды и др.
Заметим, что в последнее время в связи с борьбой с терроризмом большое
внимание уделяется разработке систем телеметрии, позволяющих исклю-
чить несанкционированное перемещение радиоактивных и ядерных мате-
риалов, особенно на предприятиях, производящих или перерабатывающих
эти материалы.
8.2.	СИСТЕМА ТЕЛЕКОНТРОЛЯ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Современная система управления установками технологических процессов
связанных с производством стабильных изотопов, является автоматизиро-
ванной системой. Она представляет собой совокупность методов и средств,
обеспечивающих наиболее эффективное выполнение функций управления
оператором на основе использования методов и средств вычислительной
техники.
Основным звеном автоматизированной системы управления технологичес-
кими процессами (АСУ ТП) производства стабильных изотопов медицин-
ского назначения, несущим информационные и управленческие функции,
является система телемеханики (см. гл. 7).
Технические требования к современным системам телемеханики
производства изотопов
Рассматривая широкий спектр разнотипных технологических установок и
комплексов, можно выделить некий обобщенный промышленный объект,
который в дальнейшем целесообразно рассмотреть и в качестве объекта те-
лемеханики.
В качестве основных характеристик такого промышленного объекта можно
определить следующие:
542
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
1.	Сложность апппаратурно-технологической схемы.
2.	Многостадийность и разветвленность технологического процесса.
3.	Использование токсичных и других опасных реагентов.
4.	Необходимость постоянного мониторинга состояния сырьевых
запасрв, отходов и сбросов, а также окружающей среды.
5.	Требования постоянной оценки предаварийной обстановки на всем
промышленном объекте.
6.	Пространственно разнесенное оборудование.
7.	Круглосуточный режим работы.
На практике, часто на предварительном этапе создания нового промышлен-
ного объекта, целесообразно разработать макет технологической установки,
опытный стенд или экспериментальный промышленный модуль для экс-
периментальной проверки и отработки, снятия рисков невыполнения про-
екта, а также тренинга персонала. Для таких случаев также целесообразно
использовать систему телемеханики.
Однако структуру такой «усеченной» системы телемеханики и ее элемент-
ную базу следует строить с учетом всех требований, предъявляемых к сов-
ременной системе полномасштабного промышленного объекта.
Результаты проведенной экспериментальной работы с «усеченной» сис-
темой телемеханики на макетах и стендах учитываются и автоматически
перекладываются на принципы построения системы телемеханики полно-
масштабного объекта. Очевидно, что при такой стратегии работ переход от
«усеченной» к полнофункциональной системе телемеханики промышлен-
ных объектов будет практически осуществлен без качественного изменения
структуры системы и базового состава элементной базы и, естественно, при
минимальной стоимости работ.
Задачи системы телемеханики производства стабильных изотопов
одя из требований, предъявляемых к структуре системы 1елемеханики, ее
элементная база должна удовлетворять следующим основным требовани-
ям:
обеспечивать создание пространственно распределенной системы
сбора данных;
обеспечивать магистрально-модульный принцип построения систе-
мы, облегчающей ее адаптацию и модификацию в случае необходи-
мости коррекции структуры системы;
543
Телеметрия в теории и на практике
Этапы разработки системы телемеханики для варианта промышленного
ОБЪЕКТА В ВИДЕ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ВЫСОТНЫХ КОЛОНН (ИЗО-
ТОПНЫЙ ОБОГАТИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД)
Предварительный этап
1.	Разработка концепции системы телеметрии и ее привязка к аппаратур-
но-технологической схеме построения проекта обогатительного каскада и
к его внешней инфраструктуре (с учетом комплекса подготовки сырья и
операций с отходами).
Обоснование базовых принципов контроля состояния оборудования и
процессов, а также базовых принципов управления технологическим про-
цессом и оборудованием (концепция современных S С ADA-систем).
2.	Обоснование принципов и способов реализации.
2.1.	Обоснование выбора элементной базы системы контроля и управ-
ления (системы телемеханики) обогатительным каскадом на осно-
ве сравнительного анализа видов и типов продукции, предлагае-
мых отечественными и зарубежными производителями (датчиков,
управляющих устройств, электронных блоков и систем и др.). При
этом выбор производится исходя из требуемого диапазона и точнос-
ти измерений:
•	для температуры,
•	для давления (вакуума),
•	для уровней и потоков,
•	для тока и напряжения (мощности),
•	для др. возможных параметров.
2.2.	Обоснование выбора соответствующего программного обеспече-
ния:
•	для датчикового уровня,
•	для уровня локальных центров управления (контроллеров),
•	для центрального поста контроля и управления.
Этап разработки варианта телеметрической системы для эксперимен-
тального стенда
3.	Разработка стенда
3.1.	Разработка концепции экспериментального стенда в виде укоро-
ченной насадочной колонны с двумя узлами обращения фаз.
544
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
3.2.	Разработка соответствующей Программы экспериментов (в том
числе измерений) на стенде.
3.3.	Разработка «усеченного» варианта системы телемеханики приме-
нительно к разрабатываемому экспериментальному стенду (в стра-
тегии последующей реализации полномасштабной системы телеме-
ханики).
4.	Изготовление стенда.
4.1.	Изготовление, монтаж и запуск технологического оборудования
экспериментального стенда (с конкретными конструктивными ва-
риантами испарителей, царг, конденсаторов и др.). При этом од-
новременно производится монтаж и подготовка всей совокупности
датчиков (и управляющих устройств) в составе монтируемого тех-
нологического оборудования.
5.	Изготовление системы телемеханики для стенда.
5.1.	Закупка электронных элементов для «усеченной» системы телемеха-
ники и монтаж совместно с технологическим оборудованием стенда.
5.2.	Разработка программного обеспечения для стендового варианта из-
мерений и управления:
•	формирование мнемонической схемы,
•	отображение в динамике контролируемых и управляемых пара-
метров технологического процесса в колоннах обогатительного
каскада,
•	архивирование результатов измерений,
•	управление в отдельных блоках и устройствах.
5.3.	Запуск и отладка всех элементов и составных частей стенда в ком-
плексе для подготовки к последующему исполнению Программы
испытаний.
Этап работы телеметрической системы в составе экспериментального
стенда
6.	Уточнение Программы экспериментов с учетом последних рекоменда-
ций заказчика.
7.	Экспериментальная отработка режимов работы отдельных стендовых
блоков и фрагментов технологического оборудования в соответствии с
уточненной Программой.
•	режимы захлебывания,
18 Зак. 861
545
Телеметрия в теории и на практике
•	режимы с различными размерами насадки,
•	режимы с различными диаметрами колонн (ЦАРГ) и высотами на-
садочных слоев,
•	режимы с различным уровнем вакуума,
•	режимы работы с тяжелой водой (обогащение по дейтерию),
•	отработка методов экспресс-анализа качества разделения.
Накопление и анализ экспериментальных данных в процессе всего комп-
лекса экспериментов.
8.	Исследование методов управления параметрами оборудования и от-
дельными сечениями технологического процесса стенда:
•	экспериментальная проверка двухпозиционного метода управления
температурой в теплокамере;
•	исследование возможности использования программного метода
ПИД-регулирования температуры;
•	исследование возможности применения метода ПИД-регулирова-
ния температуры с использованием автономного контроллера;
•	сравнительная оценка исследованных методов управления темпера-
турой в теплокамере;
•	проверка выбранного метода (методов) управления температурой
при различных конструкциях теплокамер:
двухконтурных;
одноконтурных (прямого нагрева);
теплокамер с сухими ТЭНами.
Этап анализа работы экспериментального стенда и телеметрической сис-
темы в его составе
9.	Анализ результатов экспериментальной проверки функционирования
стенда совместно с телеметрической системой.
9.1.	Проверка функционирования комплекса температурных датчиков:
•	определение экспериментальных погрешностей измерения темпера-
туры различных элементов ректификационных колонн стенда;
•	определение корреляционных зависимостей при измерениях темпе-
ратуры различных элементов ректификационных колонн стенда;
546
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
•	определение оптимального расположения температурных датчиков
на колоннах.
9.2.	Проверка функционирования комплекса датчиков давления (вакуу-
ма):
•	проверка функционирования комплекса датчиков давления в тепло-
камерах колонн, в испарителях и датчиков разрежения в конденса-
торах колонн;
•	определение экспериментальных погрешностей измерения давле-
ния в элементах ректификационных колонн стенда;
•	определение оптимального распределения датчиков давления и раз-
режения на колоннах;
•	определение корреляционных зависимостей при измерениях давле-
ния (вакуума) в различных сечениях ректификационного оборудо-
вания.
9.3.	Проверка функционирования других датчиков:
• проверка функционирования выбранной электронной базы и про-
граммного обеспечения системы телеметрии (система ADAM и про-
граммный пакет GENESIS-32).
10.	Оформление отчета «Опытная проверка системы телеметрии на экс-
периментальном стенде». Выдача окончательных рекомендаций относи-
тельно конечного варианта исполнения телеметрической системы для
полномасштабного обогатительного каскада.
И. Этап разработки окончательного варианта телеметрической системы
для полномасштабного обогатительного каскада:
11.1.	Окончательное утверждение блок-схемы телеметрической систе-
мы для обогатительного каскада.
11.2.	Согласование Программы запуска телеметрической системы с
Программой запуска обогатительного каскада и ее утверждение.
11.3.	Изготовление и запуск телеметрической системы в составе обога-
тительного каскада согласно обеим программам.
11.4.	Разработка и отладка программного обеспечения для варианта пол-
номасштабного обогатительного каскада и полной инфраструктуры.
11.5.	Подготовка окончательного варианта мнемонической схемы.
11.6.	ОбоСнование методов многопараметрической стабилизации основ-
547
Телеметрия в теории и на практике
ных параметров различных технологических процессов.
11.7.	Окончательная разработка методов и средств управления процес-
сом и оборудованием:
а)	разработка архитектуры локально-централизованной системы управ-
ления пространственно распределенным технологическим оборудо-
ванием;
б)	разработка принципов программной реконфигурации локальных
объектов (контроллеров) телемеханики с целью обеспечения адап-
тивности универсальной системы телемеханики к конкретным тех-
нологическим процессам;
в)	работы по оптимизации разработанной телеметрической системы
применительно к данному обогатительному каскаду.
11.8.	Уточнение математической модели ректификационного процесса.
11.9.	Уточнение критериев оптимальности.
11.10.	Разработка методов измерения расхода малых объемов жидкос-
тей и пара.
11.11.	Предложение по выбору датчиков расхода (10-100 мл/мин).
11.12.	Разработка принципов минимизации энергетических затрат при
получении продукта ректификации.
11.13.	Расчет минимизации тепловой энергии колонн.
11.14.	Разработка метода определения (предсказания) момента «захле-
бывания» колонн.
11.15.	Доводка конструкции высокоэффективного испарителя для кон-
кретных вариантов колонн.
Очевидно, что последние восемь пунктов должны учитывать конструктив-
ные особенности ректификационных колонн.
Работы данного этапа целесообразно планировать исходя из результатов
запуска и получения первых результатов. Однако система телемеханики к
данному этапу практически полностью разработана, запущена и находится
полностью в работоспособном состоянии. Отладке подвергаются только ре-
жимы работы специального оборудования.
Экспериментальный стенд (рис 8.1) представляет собой три одинаковые
укороченные ректификационные колонны. Каждая колонна состоит из:
нижнего узла обращения потока, основу которого составляет испа-
548
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
ритель,
системы электроподогрева испарителя, обеспечивающей кипение
жидкости в испарителе,
царги в виде трубы, заполненной контактным телом (насадкой),
верхнего узла обращения потока, основу которого составляет кон-
денсатор,
системы охлаждения конденсатора, обеспечивающей превращение
пара в жидкость,
некоторых дополнительных устройств, обеспечивающих работос-
пособность стенда и ректификационных колонн.
По всему телу колонн и обеспечивающих устройств расположены датчики
температуры и давления. В системе электропитания расположены датчи-
ки электрических параметров (ток, напряжение, мощность). Совместно с
системой колонн смонтирована система телемеханики. В ее состав входят
(рис 7.2):
датчики параметров, смонтированные на теле колонн и вспомога-
тельного оборудования,
устройства преобразования сигналов датчиков в электрические сиг-
налы требуемого формата (для некоторых типов датчиков),
устройства сбора данных и передачи в персональный компьютер,
персональный компьютер, оснащенный необходимым програм-
мным обеспечением,
устройства управления ТЭНами испарителей.
549
Информационно-аналитическая
система (система телеметрии)
стенда
Фрагменты
ректификационных колонн
Бло« сбора и кодирования
5000Е
Система
водоохлаждения
: I Общая схема стенда
Рис. 8.1. Общее представление о самом стенде и телеметрической системе а случае
работы под вакуумом
Информационно-аналитическая
система (система телеметрии)
стенда
Фрагменты
ректификационных колонн
(кц j3i гадам	рщисш шм пори р репв^щюввом йжш о
Бло« сбора и кодироаания	.--------------------- ------------------------------- - - - - - -- - —
Общая схема системы
телемеханики
Рис. 8.2. Стенд и телеметрическая система с обозначенным графически процессом
ректификации в колоннах
Телеметрия в теории и на практике
Рис. 8.3. Процесс выходы на рабочий режим одной из колонн. Три графика характе-
ризуют изменения температуры в различных местах колонны. Видна инерционность
прогрева-охлаждения для различных частей и временные задержки разогрева верх-
ней части, наиболее удаленной от источника разогрева (испарителя).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТЭНОВ (форма протокола функционирования ректификационных колонн)
КОЛОННА 1 КОЛОННА 2	-----“ ‘ ~
V1
и
W1
КОЛОННА 3
НАПРЯЖЕНИЕ
УЗ i
КОЛОННА 2
Р2_3
_2_-_3________
Зависимость от времени
КОЛОННА 1
Т1 Ji '
T1_2i]
ОЙЛЕР
СПАРИТЕЛЬ
АКАПЫВАТЕЛЬ
ХДЕНСАТОР
ГОК
МОЩНОСТЬ
КОЛОННА 3
Р3_1
Р3_2
Р3_3
ОЙЛЕР
СПАРИТЕЛЬ
АКАПЫВАТЕЛЬ
СПАРИТЕЛЬ-
АКАПЫВАТЕЛЬ
|2-3
КОЛОННА 1
ДАВЛЕНИЕ В ЭЛЕМЕНТАХ КОЛОНН
КОЛОННА 1 КОЛОННА2
lj[____J P2J_____
iP1_2t
|Р1_зГ
; 2-з I1
I.V2 Г
[ 12
— LW2
ТЕМПЕРАТУРА В ЭЛЕМЕНТАХ КОЛОНН
КОЛОННА 2
T2ji|
T2Z2i]
rm мм
rm мм
Рис. 8.4. Табличное представление данных телеизмерений однотипных параметров
сразу в трех колоннах. Бланки графиков временных зависимостей температуры для
любого выбранного фрагмента трех колонн
Т1_8е
КОЛОННА 3
T3_1i
T3ji
lT3_5i
|T3Jte
КОЛОННА 3


552
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
Динамические характеристики процесса нагрева бойлера
ректификационной колонны
Рис. 8.5. Представлен процесс изменения давления в испарителе, совмещенный по
времени с процессом управляемого разогрева ТЭНов испарителя
553
Телеметрия в теории и на практике
Архивирование данных телеконтроля						
ректификационной				колонны		
Результаты испытаний колонны №2						
Дата	02.07.03					
установлен конус с редкой проволочной путанкой						
(у.	Давление в RnAMa Напряже-	испари- Давление, Нагрузка,	А, время ние, В 2®°** теле мм кПа	мл/мин Ю7Ч М 2						
		вод.ст				
13:41	90	180	40	0.39		0
14:49	90	180	42	0,41	1,34	114
15:28	90	180	50	0.49	1.65	140
15:35	95	200				
16:04	95	200	60	0.59	1,85	157
16:33	95	200	60	0.59	1,85	157
16:51	100	220	70	0.69		
17:11	100	220	65	0,64	2.31	196
17:34	100	220	65	0,64	2,29	194
17:44	100	220	65	0,64		
18:09	104	239	85	0.83	3,4	289
18:24	104	239				
18:53	104	239	85	0.83	2,76	234
19:18	115	265				
19:20	115	265	90	0.88		
19:27	115	265	108	1,06		
19:32	115	265	115	1.13	4.7	399
19:40	115	265	115	из		
19:48	125	350	110	1,08	4.7	399
19:52	125	350	143	1.40		
20:00	125	350	155	1,52	7,9	671
20:05	130	364	155	1,52	6,7	569
2Q: 10	130	364	165	1.62		
20:11	135	405	165	1,62		
20:13	135	405	175	1.72		
20:15	135	405	195	1.91		
20:18	135	405	205	2.01		
20:20	135	405	210	2,06	8,44	717
20:22	135	405	205	2,01		
20:23	145	464	210	2.06		
20:25	145	464	215	2.11	8,31	706
20:27	145	464	225	2.21		
20:28	145	464	230	2,26		
,20:30	145	464	245	2.40		
20:33	145	464	260	2,55	14	1189
20:36	145	464	253	2.48		
Рис. 8.6. Вариант представления архивируемых данных.
554
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
Нагрузочная характармстнаа колонны МИ
02.07.03
Рис. 8.7. Экспериментальные и аппроксимированные данные зависимости скорости
выхода готового продукта (ректификации) от мощности нагрева (испарителя).
8.3.	КОМПЛЕКСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АСУТП АЭС «ВУЛКАН»
И «ВУЛКАН-М»
Выполнение работ по созданию и внедрению автоматизированных сис-
тем управления технологическими процессами (АСУ ТП) промышленных
предприятий, проектированию, изготовлению, испытанию, внедрению и со-
провождению в эксплуатации систем и отдельного оборудования АСУ ТП
атомных и тепловых электростанций, других промышленных объектов, а
также работ по созданию оборудования для этих систем, включая их разра-
ботку, изготовление, поставку, внедрение и сопровождение в эксплуатации,
осуществляется многими производителями. В качестве примера рассмот-
рим характеристики оборудования фирмы «Вестрон» в соответствии с ТУ
на комплексы технических средств «Вулкан» и «Вулкан-М» [1].
Информационно-вычислительные системы АСУ ТП АЭС
Информационно-вычислительные системы (ИВС) «Вулкан-ИВК», раз-
работанные и поставляемые «Вестроном», предназначены для замены
работающих на энергоблоках ВВЭР-1000 ИВС «Комплекс - Уран 2М» и
УВС «Комплекс Титан-2» и могут быть использованы также для создания
и реконструкции информационно-вычислительных систем энергоблоков
ТЭС и других промышленных предприятий. Информационно-вычисли-
555
Телеметрия в теории и на практике
тельные системы «Вулкан-ИВК» позволяют реализовать требования по
поэтапному замещению функций существующих систем при параллельной
работе систем и суммарном сохранении и расширении функций заменяе-
мой информационно-вычислительной системы. Возможности технических
средств обеспечивают замену оборудования по принципу «шкаф на шкаф»
с сохранением всех проложенных к шкафам внешних кабельных связей.
Комплекс средств реализован на базе платформы «Вулкан» и находится в
промышленной эксплуатации с 1998 г. Производителем на базе платформ
«Вулкан» и «Вулкан-М» подготовлены решения по реконструкции инфор-
мационно-вычислительной системы и системы контроля турбогенератора
(А701) энергоблока №2 Южно-Украинской АЭС с интеграцией работаю-
щей на энергоблоке №2 системы представления параметров безопасности
в единую информационную систему. В информационно-вычислительной
системе «Вулкан-ИВК» реализованы: динамичный графический интер-
фейс с оператором с высоким разрешением, без ограничения количества
видеокадров и трендов; неограниченная глубина долговременных архивов
с хранением информации на внешних магнитооптических дисках; мощная
поддержка оператора специальными технологическими расчетами; возмож-
ность гибкой реконструкции и дальнейшего развития систем.
Системы представления параметров безопасности
Системы представления параметров безопасности предназначены для внед-
рения на энергоблоках АЭС дополнительно к существующим системам
АСУ ТП. Системы обеспечивают представление информации о состоянии
критических функций безопасности и важных для безопасности парамет-
ров технологических процессов оперативному персоналу с целью повыше-
ния безопасности, надежности и эффективной эксплуатации энергоблоков.
Внедрение систем представления параметров безопасности позволяет ре-
ализовать требования нормативных документов по созданию системы ин-
формационной поддержки оператора и повышению информированности
операторов о состоянии технологического оборудования и энергоблока в
целом.
Системы автоматического регулирования
Одной из наиболее сложных систем управления, разработанных, изготов-
ленных и внедренных производителем, является многоуровневая и много-
режимная система управления уровнем питательной воды в парогенерато-
рах [1].
Данная система предназначена для замены работающих на энергоблоках
556
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
Рис. 8.8. Система управления уровнем питательной воды в парогенераторах
энергоблока №3 Южно-Украинской АЭС
АЭС аналоговых регуляторов подачи питательной воды и уровня в паро-
генераторах. Система управления уровнем питательной воды в парогене-
раторах обеспечивает поддержание уровня в парогенераторах в заданных
пределах во всем диапазоне изменения тепловых нагрузок парогенератора с
учетом всех режимов работы энергоблока. Также система обеспечивает вы-
сокое качество регулирования, отображение технологических процессов в
удобной форме на операторских станциях, возможность изменения настро-
ек в процессе работы, архивирование и документирование информации, не-
прерывную диагностику системы в реальном времени [1].
Системы радиационного контроля
Системы радиационного контроля на базе платформы «Вулкан» с базовым
ПО VMS предназначены для внедрения на новых энергоблоках или для за-
мены работающих на энергоблоках АЭС технических средств АКРБ-03 и
АКРБ-08 с внедрением автоматизированного управления пробоотбором и
специальных расчетов радиационного контроля. Системы радиационного
557
Телеметрия в теории и на практике
контроля позволяют реализовать все требования действующих норматив-
ных документов и рекомендаций МАГАТЭ к системам радиационного кон-
троля АЭС с учетом различных вариантов поэтапного внедрения [1].
Система радиационного контроля Запорожской АЭС
Система радиационного контроля верхнего (станционного) уровня на базе
платформы «Вулкан» с базовым ПО VMS и специализированных интер-
фейсных модулей собственного производства внедрена в 2002 г. на Ровенс-
кой АЭС. В системе радиационного контроля на базе платформы «Вулкан»
реализован удобный графический человеко-машинный интерфейс, инди-
видуальная и групповая сигнализация по технологическим параметрам,
поддержка оператора специальными расчетами.
Автоматизированы пробоотбор, управление запорно-регулирующей арма-
турой и калибровки устройств детектирования. Производится непрерывная
автоматизированная диагностика системы и оборудования радиационного
контроля в реальном времени. Системы обладают возможностью гибкой
поэтапной реконструкции и дальнейшего развития [1].
Системы контроля турбогенераторов
Системы контроля турбогенераторов предназначены для замены аппара-
туры контроля А701-3. Системы контроля турбогенераторов обеспечивают
контроль, представление, сигнализацию, архивирование и документирова-
ние технологических параметров турбогенераторов.
В Системах контроля турбогенераторов на базе платформ «Вулкан-М»,
«Вулкан» реализованы эффективные схемные решения по приему сигна-
лов датчиков термосопротивлений в тяжелых условиях электромагнитных
помех турбогенератора, удобный операторский интерфейс, не требующий
специальных знаний вычислительной техники [1].
Системы регистрации аварийных параметров
Системы регистрации аварийных параметров предназначены для заме-
ны морально и физически устаревших аварийных регистраторов АСУ ТП
ответственных производств с опасными технологическими процессами
(рис. 8.9).
Системы регистрации обеспечивают реализацию требования нормативных
документов по архивированию, документированию и представлению пос-
ледовательности срабатываний защит и блокировок, значений параметров
558
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
технологических процессов и основного технологического оборудования
для дальнейшего анализа аварийных ситуаций. Регистраторы обладают
практически неограниченной глубиной долговременных архивов с хране-
нием информации на внешних дисках, возможностью оперативного фор-
мирования групп взаимосвязанных параметров для просмотра и докумен-
тирования, удобным интерфейсом, не требующим специальных знаний
вычислительной техники, возможностью предварительной обработки ин-
формации для выявления заданных технологических событий [1].
Рис. 8.9. Аварийный регистратор
Программно-аппаратная платформа «ВУЛКАН-М»/«ВУЛКАН»
Программно-аппаратная платформа «Вулкан-М»/< Вулкан» предназначена
для построения широкого спектра управляющих и информационных систем
АСУ ТП различного назначения. Платформа разработана с учетом современ-
ных подходов к проектированию и построению систем, тенденций развития
электроники и программного обеспечения, рекомендаций заказчиков по
обеспечению удобства монтажа, наладки и эксплуатации систем [1].
Основные данные
Узлы верхнего уровня:	
КТС	«Вулкан» (АУИЦ.460600.001 ТУ)
Базовый тип сервера	РС совместимая рабочая станция/рабочие станции Sun
Магистраль данных	Fast Ethernet, Ethernet
Базовая Операционная система	Windoyvs2000/Solaris
559
Телеметрия в теории и на практике
Базовое программное обеспечение	VMS/Accolade
Класс безопасности (для АЭС)	4, 3 (включая мониторы)
Контроллеры нижнего уровня:	
КТС	«Вулкан-М» (АУИЦ.460800.002 ТУ)
Базовый тип контроллера	Одноплатная РС в промышленном исполне- нии или процессорный модуль WPB
Шина контроллера	АТ-96
Шина ввода-вывода	RS-485
Магистраль данных реального времени	RS-485
Базовая Операционная система	QNX
Базовое программное обеспечение	VMS
Класс безопасности (для АЭС)	3,2
Программное обеспечение
Эффективность и надежность систем АСУ ТП, их функциональные возмож-
ности, возможность адаптации базовых программных и аппаратных средств
к требованиям конкретной системы во многом определяются программным
обеспечением, которое обеспечивает:
•	работу систем АСУ ТП в условиях жесткого реального времени;
•	эффективное использование аппаратных ресурсов систем АСУ ТП
в резервированных и нерезервированных конфигурациях;
•	эффективную технологию разработки, отладки и верификации при-
кладного программного обеспечения систем АСУ ТП;
•	реализацию универсальных функций путем конфигурирования ап-
паратных и программных средств.
Модульный принцип построения программного обеспечения позволяет
гибко распределять функции между рабочими станциями и серверами, спе-
циализировать отдельные узлы верхнего уровня для выполнения ресурсо-
емких функций или совмещать несколько функций в одном узле, сокращая
количество аппаратуры [1].
560
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
8.4.	ПРИМЕР ОРГАНИЗАЦИИ КАНАЛА СБОРА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
В России и странах СНГ реализовано множество проектов беспроводных
сетей и линий передачи данных. Многие из них находятся в эксплуатации,
другие па различных стадиях построения.
Компания «Энран Телеком» в тесном сотрудничестве со специалистами
объекта «Укрытие» Чернобыльской АЭС реализовала проект объединения
ЛВС нескольких подразделений в единую сеть [2].
Для резервирования проводного соединения между «АТК ОУ» и 4-м блоком
в реальном времени были использованы высокоскоростной радиоканал на
базе оборудования Breeze LINK-121. Данное оборудование обеспечило ус-
тойчивую передачу (в том числе телеметрических) данных на скоростях до
512 Кбит/с и доказало эффективность и надежность технического решения.
В случае неисправности основного канала передачи данных переключение
на резервный канал происходит автоматически и не требует какого-либо
вмешательства оператора. Линия находится в эксплуатации с сентября
1999 г. 12].
Рис. 8.10. Схема резервного канала АТК ОУ - ЧАЭС
561
Телеметрия в теории и на практике
8.5.	СИСТЕМА РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
АТОМНЫХ ОБЪЕКТОВ. ПРОЕКТ АМЕС 1.5-1
Проект АМЕС 1.5-1 «Радиационный контроль на объектах вывода из экс-
плуатации и утилизации стратегических атомных подводных лодок — При-
менение системы PICASSO» предназначен для создания полномасштабной
системы радиоэкологического мониторинга, состоящей из 15-20 измери-
тельных каналов на объектах Военно-морского флота РФ [3].
Работы по созданию рабочего макета системы мониторинга обеспечивают
решение следующих задач:
•	Создание программного обеспечения для управления работой де-
текторов и сбора информации.
•	Создание программного обеспечения для обработки измерительной
информации.
•	Создание программного обеспечения для обмена информацией
между различными частями системы, включая пользовательский
интерфейс PICASSO-AMEC.
•	Адаптация приложения PICASSO-АМЕС к задачам радиоэкологи-
ческого мониторинга и работе в составе измерительно-информаци-
онной системы российского производства.
•	Создание электронных устройств для обработки сигналов, управле-
ния детекторами, накопления и передачи данных (интеллектуаль-
ных контроллеров), отвечающих современным требованиям к изме-
рительным системам с распределенным интеллектом.
•	Отработка технологических процессов сбора, передачи по радиока-
налу и представления радиоэкологической информации.
•	Разработка основных функциональных и конструктивных требова-
ний к полномасштабной системе радиоэкологического контроля.
Макет системы радиационного мониторинга создан на основе концепции
распределенного интеллекта, которая подразумевает работу детекторов из-
лучения совместно с так называемыми интеллектуальными контроллерами
(ИК).
Интеллектуальные контроллеры позволяют полностью обеспечивать рабо-
ту детектора по заданной программе, обрабатывать данные, хранить доста-
точно большие массивы измерительной информации и пересылать их по
562
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
запросам управляющих компьютеров.
Макет состоит из следующих основных функциональных частей (рис.8.11):
•	блоки детектирования;
•	устройство обработки сигналов и передачи информации (интел-
лектуальный контроллер — ИК);
•	радиоканал передачи данных;
•	система сбора и обработки данных «REM-2»;
•	система визуализации данных мониторинга на основе PICASSO-
AMEC.
Один измерительный канал предназначен для контроля мощнос-
ти дозы с помощью интегрального счетчика. Он состоит из интег-
рального детектора БДМГ-08Р на основе газоразрядного счетчи-
ка СИ 22Г и одного канала интеллектуального контроллера ИК [3].
Второй измерительный канал предназначен для индикации превышения
концентрации радиоактивных изотопов в водной среде. Измерительный
блок состоит из сцинтилляционного детектора на базе спектрометрического
кристалла CsI и второго канала интеллектуального контроллера. Оба изме-
рительных канала управляются одной программой «REM-2» на централь-
ном компьютере. Программа «REM-2» разработана специально для данной
системы на основе стандартного пакета библиотек Active X для Windows.
ДАТЧИК
ПрмЬы
обработка
Рабочая станция
обработка
локальной
Передача
данных
через
радио модем
TCP/IP
Локальная сеть
Обработка
данных
Отображение
и представление
данных радиационного
мониторинга
PICASSO-3 RTM
разработано HRP
(Норвегия)
Рис. 8.11. Схема макета системы радиационного мониторинга
Приём
данных
(MS SOL-

563
Телеметрия в теории и на практике
Все получаемые данные визуализируются с помощью приложения
«PICASSO-АМЕС» в режиме реального времени.
Программа управляет работой интеллектуального контрольного контрол-
лера. Предварительно обработанные данные поступают по сети на NT-сер-
вер в систему PICASSO-AMEC
Система PICASSO-3, разработанная норвежскими специалистами в рамках
проекта HRP (Halden Reactor Project), представляет собой мощное средс-
тво для создания пользовательских интерфейсов для отображения различ-
ных технологических процессов в реальном времени [3].
Интеллектуальный контроллер предназначен для осуществления датчиков
ионизирущих излучений в автономном режиме. ИК позволяет периодичес-
ки запускать цикл измерения, преобразовывать и считывать пришедшие
сигналы, сравнивать скорости счёта с заданными установками, хранить
данные в собственной памяти, передавать данные в систему сбора инфор-
мации по радиоканалу или проводному соединению.
Подводный детектор предназначен для измерения радиоактивности водной
среды. Детектор включает в себя измерительный модуль на основе спектро-
метрического сцинтилляционого кристалла CsI.
564
Глава 8. Телеметрия в атомной промышленности
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 8
1.	Модули контроля и управления АЭС фирмы «Вестрон».
(http.//www.westron.kharkov.ua/index_eng.html).
2.	Резервный канал АТК «ОУ» ЧАЭС (www.alvarion.ru/Distributors/
enran.htm).
3.	Проект АМЕС 1.5-1 «Радиационный контроль на объектах вывода
из эксплуатации и утилизации стратегических атомных подвод-
ных лодок - применение системы PICASSO». (http://wWw.ibrae.
ru/-lgis/amec/project.htm).
565
Глава 9.
Телеметрия в нефтяной и газовой
промышленности
Средства телеметрии нашли широкое применение и используются уже не
один десяток лет в нефтяной и газовой промышленности. В первую очередь
это связано с удаленностью объектов контроля и жесткими условиями ра-
боты специализированных технических средств бурения: высоким давле-
нием, температурой и вибрациями. В течение продолжительного времени
в данной отрасли преобладали проводные системы телеметрии. Это было
обусловлено их простотой и надежностью конструкций.
Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений, а также трубопровод-
ных сетей является одной из тех отраслей, где несвоевременное получение
информации о нештатной ситуации может привести к крайне неприятным
последствиям, включающим значительные финансовые потери, поврежде-
ние дорогостоящего оборудования и загрязнение окружающей среды. В то
же время прокладка надежных проводных линий связи во многих случаях
затруднена, а постоянное присутствие персонала на некоторых объектах
может оказаться затруднительным. Одним из возможных решений, позво-
ляющих обеспечить надежную связь с удаленными объектами и уменьшить
количество необходимого для обслуживания персонала, является использо-
вание радиоканала для передачи телеметрической информации и сигналов
управления. Данное решение имеет целый ряд существенных преимуществ
перед проводными системами. В частности, отсутствует необходимость в
дорогостоящих работах по прокладке кабелей (которые и сами по себе не-
дешевы) к удаленным объектам. Исключается одно из наиболее уязвимых
звеньев, которое может быть легко повреждено, но поиск и устранение пов-
реждений которого связан со значительными сложностями, особенно при
неблагоприятных погодных условиях. Кроме того, значительно упрощается
оснащение телеметрическим оборудованием мобильных объектов (напри-
мер, передвижных насосных станций или дизель-электростанций). Вместе
с тем проводные телемеханические системы прочно удерживают свои пози-
ции в некоторых важных направлениях отрасли. В данной главе приведено
описание некоторых телеметрических и телемеханических систем, которые
нашли применение в нефтегазодобывающей промышленности.
Развитие телекоммуникационных технологий привело к тому, что наряду
с классическими специализированными телеметрическими системами, по-
явились сверхбольшие информационно-управляющие системы с большим
количеством опрашиваемых датчиков (тысячи и десятки тысяч). И те, и
другие нашли широкое применение в нефтегазовой промышленности. Це-
Телеметрия в теории и на практике
лесообразно рассмотреть малые и большие телеметрические системы в от-
дельности.
9.1. МАЛЫЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
9.1.1. Малогабаритная телеметрическая навигационная сис-
тема С КАБЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ МТНСК-1
Малогабаритная телеметрическая навигационная система с кабельным
каналом связи (МТНСК) предназначена для непрерывного измерения
геометрических и геофизических параметров в процессе проводки гори-
зонтальных стволов при бурении нефтяных скважин и передаче телеметри-
руемых данных на поверхность [1]. МТНСК состоит из глубинного блока,
устройства Контактного сбросного кабеля (УККС) и наземной станции.
В состав глубинного блока входят ориентационный переводник и немаг-
нитная утяжеленная буровая труба (УБТ), изготовленная из аустепитной
стали, входящие в состав бурильной колонны и расположенные непосредс-
твенно над забойным двигателем. А также блок датчиков и электроники с
ориентирующим пером, обеспечивающим ориентацию и фиксацию блока
датчиков и электроники в ориентационном переводнике во время спуска
телеметрической системы, амортизатором, гасящим ударные и вибрацион-
ные нагрузки, удлинителем, удаляющим блок датчиков и электроники от
магнитных частей забойного двигателя, пружинных центраторов, удержи-
вающих глубинный блок на оси бурильной колонны, герметичной заделки
кабеля и контактного переводника, обеспечивающего электрический кон-
такт между глубинным блоком и кабелем.
УККС предназначено для оперативного соединения (разъединения) ка-
беля во время наращивания бурильной колонны и состоит из контактного
штыря с посадочным переводником и сбросной муфты. В состав наземной
станции входит лебедка, усилитель с компьютером и блок сопряжения.
Блок датчиков и электроники обеспечивает сбор, усреднение, кодирование
и передачу информации на наземную станцию по одножильному кабелю.
Наземная станция принимает, усиливает и через блок сопряжения посы-
лает информацию на стандартный компьютер, где информация с помощью
специального программного обеспечения декодируется, обрабатывается,
записывается на магнитный носитель и отображается в удобном для опе-
ратора виде.
568
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
В табл. 9.1...9.3 представлены некоторые эксплуатационные и тактико-тех-
нические характеристики телеметрической системы МТНСК.
Таблица 9.1.
Диаметр немагнитного УБТ, мм	105
Диаметр телесистемы по охранному кожуху, мм	42
Напряжение питания наземного оборудования, В	187-242 В при 50±5Гц
Гарантийный срок службы	1 ГОД
Таблица 9.2.
	Диапазон измер., град	Погрешность, град	Разреш. способ., град
Зенитный угол	0-180	0,1	0.1
Азимут	0-360	0,5	0,1
Угол установки откло- 	нителя		0-360	1	0,1
Таблица 9.3.
Температура, град. С	0-120
Давление, Мпа	100
Вибрация, Гц с ускорением до 30 g	1-200
9.1.2. Телеметрическая система ТМ-ПЭНП
Телеметрическая система ТМ-ПЭНП предназначена для управления, защи-
ты и контроля технологических параметров электродвигателей переменно-
го тока, используемых в погружных электронасосах, и контроля параметров
окружающей среды в забое скважины [2].
569
Телеметрия в теории и на практике
Рис. 9.1. Погружной блок
Выполняемые системой телеметрии функции:
•	сохранение всех функций контроллера и регистратора;
•	непрерывный контроль температуры обмоток электродвигателя,
давления в компенсаторе, вибрации установки;
•	непрерывный контроль за температурой и давлением нефти в сква-
жине;
•	возможность набора параметров телеметрии с помощью дополни-
тельной клавиатуры контроллера;
•	передача телеметрической информации по силовому кабелю пита-
ния;
Система состоит из контроллера-ТМ, индуктора, погружного блока и ре-
гистратора.
Основные технические данные представлены в табл. 8.4.
Таблица 9.4.
Глубина погружения погружного блока	до 2000 м
Точность замера телеметрических параметров	2%
Период передачи телеметрической информации	Юс
Условия эксплуатации	погружного блока БП от 0 *С до +85 ‘С, блока БП-Т от 0 ‘С до +125 ’С
570
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
Преимущества системы:
•	увеличение ресурса работы двигателя за счет оптимизации режима
работы;
•	увеличение добычи нефти;
•	непрерывный контроль за работой погружного электрического на-
соса;
•	предотвращение аварийных ситуаций;
•	уменьшение затрат на.ремонт оборудования;
•	уменьшение энергопотребления;
•	снижение себестоимости добычи нефти;
•	возможность работы в сети управления и сбора информации.
9.1.3.	Малогабаритная гироскопическая телесистема
Развитие направленного бурения, в частности большой объем строитель-
ства горизонтальных скважин, обусловил увеличение количества и раз-
нообразия используемых при проводке скважин телеметрических навига-
ционных систем. Построение траектории забоя скважины или ствола уже
пробуренной скважины производится на основании замеров угла наклона
и азимута на забое или по стволу скважины. Для измерения угла наклона
достаточно использовать трехосный акселерометр, который измеряет про-
екции ускорения свободного падения g на три взаимно перпендикулярные
пространственные оси. Для измерения азимута обычно используется трех-
осный феррозонд, который по аналогии с акселерометром измеряет проек-
ции напряженности магнитного поля земли на три взаимно перпендику-
лярные пространственные оси [3].
На основании этих данных после соответствующих вычислений получа-
ют значение азимута и угла наклона в любой точке ствола скважины и его
пространственную траекторию. Очевидно, что таким способом траектория
строится в магнитных координатах, поскольку азимут скважины отсчиты-
вается от направления на магнитный полюс Земли.
Погрешность таких «магнитных» навигационных систем сильно зависит от
наличия вблизи датчиков феррозонда магнитных масс, например буриль-
ных труб, обсадных колонн и т. п., и в ряде случаев может быть недопус-
тимой. Например, при зарезке боковых стволов из обсаженных скважин
или при кустовом бурении с морских платформ оперативное управление
571
Телеметрия в теории и на практике
траекторией ствола скважин при помощи таких «магнитных» систем не-
возможно. В этих случаях для измерения азимута скважины необходимо
использовать гироскоп, показания которого не зависят от напряженности
магнитного поля Земли.
Рис. 9.2. Схема измерения
Гироскопические телесистемы строятся по двум принципам. Один из них
базируется на свойстве гироскопа сохранять неизменным пространствен-
ное расположение оси вращения ротора гироскопа при любых поворотах
его корпуса. В реальном гироскопе, где ось ротора не свободна, при пово-
роте его корпуса на ось ротора действует момент сил, измеряя который,
можно «отследить» все повороты корпуса гироскопа и, соответственно,
измерительного забойного блока инклинометра. Имеющийся в забойном
блоке трехосный акселерометр также может «отслеживать» повороты кор-
пуса, однако не все — азимутальные повороты, то есть те, которые связаны
с изменением азимута, фиксируются только гироскопом. На этом и постро-
ен принцип измерения траектории скважины гироскопическим инклино-
метром: забойный блок с работающим гироскопом и трехосным акселеро-
метром «протаскивается» по всему стволу скважины, и фиксируются все
повороты корпуса, «отслеживаемые» гироскопом и акселерометром. После
«вычитания» выделяется изменение азимута по всей длине ствола скважи-
ны. Принцип действия такого гироскопического инклинометра схематичес-
ки отображен на рис. 9.3 [3].
572
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
Чтобы определить абсолютные значения азимута, необходимо обязательно
произвести визирование гироскопа на поверхности. Очевидно, что необхо-
димость «протаскивания» инклинометра по всей длине ствола и визирова-
ние на поверхности не позволяют его использовать в качестве MWD-сис-
темы.
Для построения MWD-системы используется гироскоп, работающий по
принципу системы North seeking. Такой гироскоп должен «отслеживать»
поворот корпуса, обусловленный вращением Земли. В этом случае гирос-
коп представляет собой датчик угловой скорости, измеряющий проекцию
угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности гироскопа.
Поскольку угловая скорость вращения Земли — векторная величина, а ее
горизонтальная составляющая направлена строго по меридиану, то по ана-
логии с напряженностью магнитного поля Земли от этой составляющей мо-
жет отсчитываться географический азимут, как показано на рис. 8.4. Таким
образом, если триаду феррозондов заменить триадой гироскопов, каждый
из которых является датчиком угловой скорости, то такая телесистема бу-
дет измерять географический азимут в любой точке ствола скважины.
Гироскопическая телесистема «Гирокурсор-45» была создана специально
для бурения боковых стволов из обсаженных скважин. С ее помощью обес-
печиваются не только замеры азимута внутри и вблизи обсадной колонны,
но и ориентирование инструмента внутри обсадных колонн в вертикальных
и наклонных скважинах. В телесистеме используется кабельный канал свя-
зи между забоем и поверхностью. Забойный блок на геофизическом кабеле
спускается в колонну бурильных труб, где попадает в специальную ловуш-
ку, расположенную над забойным двигателем. Конструкции ловушки и за-
бойного блока обеспечивают ориентированную фиксацию забойного блока
относительно отклонителя. На устье кабель выводится из колонны буриль-
ных труб посредством кабельного переводника, конец кабеля с лебедки
573
Телеметрия в теории и на практике
присоединяется к наземному прибору. Забойный блок в любой момент мо-
жет быть извлечен из колонны бурильных труб без подъема инструмента.
В процессе бурения забойный блок телесистемы располагается на забое и
по мере необходимости производится кратковременная остановка буре-
ния, запускается гироскоп и производится замер азимута. Угол установки
бурения.
отклонителя и угол наклона скважины измеряют непрерывно в процессе
Рис. 9.4.Измерительная схема
В телесистеме «Гирокурсор» удалось сочетать малые габариты наряду с вы-
сокой точностью измерения и достаточной виброустойчивостью благода-
ря оригинальному построению измерительной схемы, которая показана на
рис. 8.4. Вместо трех гироскопов в ней используется один, но располагается
он на поворотной платформе. Измерения производятся в четырех положе-
ниях платформы, развернутых относительно друг друга на 90°. Таким обра-
зом, на базе одного гироскопа создан фактически двухосевой датчик угло-
вой скорости вращения Зечли. При этом удается усилить полезный сигнал
и компенсировать помехи, что позволило обеспечить высокую точность,
используя сравнительно грубый, но зато надежный, недорогой и серийно
выпускающийся гироскоп.
574
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
Другой отличительной особенностью телесистемы «Гирокурсор» является
непрерывная работа в процессе бурения с периодическим запуском гирос-
копа для измерения азимута. В таком режиме ток потребления забойного
блока изменяется в сотни раз, и обеспечение при этих условиях устойчивой
работы телесистемы является отдельной, достаточно сложной проблемой,
которая была решена созданием специального импульсного регулятора на-
пряжения, входящего в состав наземного блока. Чтобы обеспечить передачу
питания с поверхности в забойный блок и информационного сигнала по од-
ножильному кабелю, был разработан специальный код, позволяющий под-
держивать устойчивую двунаправленную связь с забойным блоком во всём
диапазоне изменения питающего тока.
Все эти особенности «Гирокурсора» потребовали радикального пересмотра
алгоритмов управления и вычисления и создания специальной программы
для компьютера наземного комплекса. Не вдаваясь в подробности, необ-
ходимо отметить, что новые технические решения, реализованные в «Ги-
рокурсоре», защищены четырьмя патентами РФ. Система «Гирокурсор» в
настоящее время успешно эксплуатируется при зарезке боковых стволов из
обсаженных скважин и последующем контроле и управлении траекторией
их бурения. Основные технические характеристики телесистемы «Гирокур-
сор» представлены в табл. 9.5.
Таблица 9.5.
Габариты внешнего корпуса	- диаметр 45 мм 1 -длина 2,0 м
Диапазон измерений	- азимута 0-360’ при угле наклона до 70’ -	угла наклона 0-180’ -	угла установки отклонителя ± 180’
Погрешности измерения	-	азимута ± 1,5’ -	угла наклона ±0,15’ -	угла установки отклонителя ± 1 ’
Забойная температура	- до 85’ С
Давление на забое	-до40 МПа 1
Габариты наземного блока	- 120 x450 x450 мм
Линия связи	- одножильный геофизический кабель
Питание (на поверхности)	- сеть переменного тока 220 Вольт
Потребляемая мощность	- не более 50 Вт
1 Возможна дополнительная комплектация корпусом диаметром 50 мм, при этом давление на забое - до 70 МПа.	
575
Телеметрия в теории и на практике
9.1.4.	Система автоматического регулирования уровня жид-
ких сред
Система предназначена для автоматического регулирования уровня жид-
ких и вязких сред (воды, нефтепродуктов, спирта, масел и т. п.) в открытых
емкостях (верхняя часть емкости связана с атмосферой).
Устройство и принцип работы
Система состоит из датчика давления, аналогичного по точностным харак-
теристикам датчику давления «Силикон», но имеющему другое корпусное
исполнение.
Регулирование уровня производится следующим образом. С помощью
монтажного комплекта датчик давления помещается внутри емкости, фик-
сируется на определенной глубине и измеряет давление столба жидкости
(уровень). При достижении уровнем жидкости заданных границ сигнал с
датчика давления поступает на пускатель двигателя насоса, который вклю-
чается, если уровень жидкости выше заданного.
Технические характеристики:
Диапазон регулирования уровня, м Основная погрешность, % Температурный диапазон эксплуатации, С° Напряжения питания, В Потребляемая мощность, ВА, не более Масса датчика давления, кг, не более	1,0...15,0 +-1,5 -30...+50 220 200 1,0
Масса блока питания, кг, не более	0,5
95% ресурс, лет, не менее
10
Датчик давления «Силикон»
Датчик предназначен для измерения абсолютного и избыточного давления
неагрессивных газов и жидкостей. «Силикон» имеет сертификат России по
средствам измерения Ml784 от 16.10.95г., посадочное место, аналогичное
известному датчику «Сапфир», а характеристики надежности на порядок
выше [4]. Технические характеристики:
576
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
Диапазон измерения абсолютного давления, кгс/см2	0,1-1,0
Диапазон измерения избыточного давления, кгс/см2	1; 1,6; 2,5; 10; 16; 25
Погрешность, %	0,5
Температурный диапазон эксплуатации, °C	-50-+80 (+125)
Напряжения питания, В	16-42
Выходной сигнал, мА; потребляемая мощность, ВА,	4-20
не более	1,5-3
Масса кг, не менее	65000
Наработка на отказ, ч, более Средний срок службы, лет	10
9.1.5.	Комплекс погружной телеметрии
Комплекс погружной телеметрии предназначен для измерения давления,
температуры и вибрации погружного двигателя, опускаемого в скважину
вместе с насосом, для откачивания различного рода жидкостей. Блок теле-
метрии встраивается в головку погружного двигателя, а информация о со-
стоянии двигателя передается по силовому кабелю питания [5].
Комплекс оснащается двумя типами контроллеров для установки в составе
системы управления. Поставляется как в составе погружного двигателя, так
и автономно.
Основные особенности и преимущества:
сверхмалые размеры блока погружной телеметрии, возможность
установки блока в головку типового погружного двигателя;
простота установки и подключения погружного блока, установка
может быть выполнена в цеху ремонта двигателей эксплуатирую-
щей организации;
непрерывный контроль за состоянием погружного оборудования и
откачиваемой жидкости;
независимое питание погружного блока;
19 Зак. 861
577
Телеметрия в теории и на практике
надежный канал передачи информации;
питание и передача информации по одной жиле кабеля питания
двигателя;
высокая точность измерения параметров;
возможность установки в станции различных производителей.
Основные технические характеристики представлены в табл. 9.6.
Таблица 9.6.
Наименование	Значение
Параметры погружного блока	
Диапазон измерения давления на приеме насоса	0.1-25 МПа
Точность измерения давления	2%
Диапазон измерения температуры двигателя	10 *С-150’С
Точность измерения температуры	2%
Диапазон измерения вибрации двигателя X/Y	0-5 g
Точность измерения вибрации двигателя	5%
Габаритные размеры погружного блока	20x190 мм
Параметры наземного блока	
Отображение информации для автономного варианта	ЖКИ (4x16 символов)
Внешний интерфейс	CANBUS или RS-232 / RS-485 (для авто- номного варианта)
Питание контроллера	4 В или 220 В (для автономного варианта)
Потребляемая мощность	60 Вт
Использование подобных систем нашло широкое применение в нефтегазо-
578
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
добывающей промышленности вследствие простоты конструкции и малой
стоимости.
9.1.6.	Система быстрой скважинной телеметрии
Система быстрой скважинной телеметрии предназначена для передачи дан-
ных телеизмерений от скважинного прибора управляющему компьютеру
(«вверх») и передачи команд управления в обратном направлении («вниз»)
[6]. Ниже представлена одна из схем организации обмена данными в такой
системе.
Для передачи данных используется квадратурная модуляция с числом со-
стояний 64, несимметричный дуплекс, частотное разделение каналов. Канал
«вниз» использует поднесущую 16 КГц, канал «вверх» — 48 КГц. Система
передает данные в виде пакетов. Размер пакета в канале «вниз» составляет 6
16-разрядных слов пользовательских данных, в канале «вверх» — 512 слов.
Дополнительно в канале «вверх» передается временная метка пакета, 2х 16-
разрядных слова с временным шагом 1 мс, и данные с двух температурных
датчиков — цифровой и аналоговой плат телеметрии. Достигнутые скоро-
сти обмена на данном этапе составляют (приблизительно): в канале «вниз»
— 6 кбит/с, в канале «вверх» — 200 кбит/с. Система является адаптивной,
автоматически подстраиваемой под изменяющиеся параметры кабеля.
Существует возможность как симметричного (по двум проводам, оплетка
не используется), так и несимметричного (один провод и оплетка) включе-
ния каротажного кабеля. Данные, передаваемые по кабелю, защищены 16-
разрядным циклическим контрольным кодом. Реализована возможность
обнаружения ошибок в канале и повторная передача ошибочных пакетов, в
случае ошибок система автоматически собирает пакеты в правильной пос-
ледовательности перед выдачей их управляющему компьютеру.
«Нижний» узел телеметрии связан со скважинным прибором через CAN-
интерфейс, реализованный на микросхеме СС750 фирмы BOSH. Система
телеметрии управляет процессом обмена данными со скважинным прибо-
ром посредством отправки прибору команд, запрещающих или разрешаю-
щих выдачу прибором данных. Система периодически контролирует состо-
яние канала и производит адаптивную коррекцию характеристик кабеля в
автоматическом режиме. При включении питания система входит в связь
также автоматически.
Для связи с управляющим компьютером реализован интерфейс с системой
СИБ МАКС, использующий как синхронный, так и асинхронный режим
обмена с генерацией прерывания.
579
Телеметрия в теории и на практике
Конструктивно система представляет собой два узла — узел скважинно-
го прибора (нижний узел) и узел управляющего компьютера (верхний).
Нижний узел состоит из двух плат — платы процессора, выполняющей
цифроаналоговое преобразование, цифровую обработку сигналов и связь
со скважинным прибором, и аналоговой платы, представляющей собой
приемопередатчик аналоговых сигналов. Цифровая плата устанавливается
в охлаждаемый отсек скважинного прибора, аналоговая плата специаль-
ных способов охлаждения не требует. Верхний узел также состоит из двух
плат. Цифроаналоговое преобразование и приемопередатчик объединены
на одной плате, устанавливаемой в систему СИБ МАКС, для выполнения
программы DSP телеметрии используется стандартная плата SP PC104 с
процессором ADSP-2185N и логической матрицей АСЕХ. Связь между пла-
тами верхнего уровня системы производится по цифровой шине, обмен с
управляющим компьютером системы СИБ_МАКС — по шине ISA.
Нижний узел телеметрии содержит 8 буферов по 1 кбайт, предназначен-
ных для данных, получаемых по CAN-интерфейсу. Если нижний узел по
каким-либо причинам не может выполнять отправку данных (например, в
случае интенсивных помех в канале, разрывов связи в коллекторе и т. д.)
принимаемые данные помещаются во внутренние буфера. При исчерпании
свободного места в CAN-канал отправляется команда «STOP». Данной
командой скважинный прибор информируется о необходимости приос-
тановить выдачу данных для отправки наверх. Программное обеспечение
скважинного прибора должно корректно обрабатывать эту команду и не
посылать данные в телеметрию при отсутствии свободных внутренних бу-
феров — такие данные будут потеряны. В случае выдачи прибором данных
на скоростях, близких к максимальной скорости канала «вверх», переход
в режим «СТОП» может возникать периодически вследствие выполнения
телеметрией процедуры повторной передачи пакета при ошибках в канале и
не является признаком неисправности системы. Команда «STOP» выдается
также в случае, когда скважинный прибор передает большой объем данных
(больше 8 Кб) за время, недостаточное для отправки данных наверх. После
восстановления связи и освобождения необходимого количества внутрен-
них буферов телеметрия отправляет в прибор команду «START». После по-
лучения этой команды прибор может продолжать передавать пакеты в узел
телеметрии.
При формировании пакетов нижний уровень использует следующий алго-
ритм. Если канал свободен и поступили данные по CAN-интерфейсу, посту-
пившие данные помещаются в выходной пакет и немедленно отправляются
наверх.
Если данные продолжают поступать, они помещаются в следующий сво-
580
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
бодный буфер нижней платы. После заполнения буфера из полученных
данных формируется новый пакет и ставится в очередь для отправки. Но-
вые данные помещаются в очередной буфер, и процесс повторяется до ис-
черпания свободных буферов. После отправки очередного пакета нижняя
плата проверяет наличие сформированных пакетов, и, если очередь не пус-
та, наверх отправляется очередной пакет. Если же очередь готовых пакетов
пуста, проверяется наличие данных в текущем буфере. Если буфер не пуст,
из него формируется очередной пакет и немедленно отправляется наверх.
Таким образом, верхний узел телеметрии может получать частично запол-
ненные пакеты. Достоинством такого алгоритма отправки является то, что
независимо от скорости обмена по CAN и объемов данных, получаемых
от скважинного прибора, минимизируется время доставки наверх каждого
CAN-пакета.
Управляющий компьютер системы СИБ_МАКС (далее - «хост») обмени-
вается данными с верхним узлом телеметрии по шине ISA. Существует два
режима обмена синхронный и асинхронный. При синхронном обмене
инициатором служит «хост». Данный режим используется для отправки
команд системе телеметрии. При асинхронном обмене инициатором слу-
жит верхний узел телеметрии, в этом режиме происходит выдача «хосту»
полученных от нижнего узла данных.
При выполнении процедуры обмена с «хостом» в запросе на асинхронный
обмен от «верхнего» узла телеметрии к хосту передается указатель на блок
данных длиной 530 слов.
Данный блок делится на две области: область служебной информации и
область пользовательских данных. Область служебной информации по
смещению 3 содержит 2 16-разрядных слова, которые содержат временную
метку принятого пакета.
Область пользовательских данных представляет собой связанный список.
Первый элемент списка является дескриптором, содержащим размер пер-
вого CAN-пакета. Размер содержится в старших 5 битах дескриптора, в
младших 11 битах содержится тип данных данного элемента списка. Размер
поля данных CAN-пакета задается в байтах, поэтому для вычисления ука-
зателя на следующий элемент связанного списка значение нужно удвоить.
Пакеты с нечетным числом байтов дополняются нулевым байтом. Нулевой
дескриптор означает конец пользовательских данных. Нулевое смещение
(старшие 5 битов дескриптора) указывает на то, что в данном элементе
списка не содержится пользовательских данных и из скважинного прибора
поступил пакет, содержащий только 11 битов.
Данная система основана на современных технологиях и принципах теле-
581
Телеметрия в теории и на практике
коммуникации и имеет перспективы развития в нефтяной и газовой про-
мышленности.
9.1.7.	Телеметрические системы в процессе бурения
В качестве примера рассмотрим телеметрическую систему «Ориентир».
Простым подключением модуля предоставляется возможность ведения
гамма-каротажа (в режиме реального времени и в режиме с запоминающим
устройством) [7].
Гамма-каротаж основан на изучении естественной радиоактивности гор-
ных пород. Работы проводят с помощью скважинных радиометров разных
марок. Электрические сигналы, пропорциональные интенсивности гамма-
излучения, передаются по кабелю в обычную каротажную станцию, где и
осуществляется их автоматическая регистрация. В результате гамма-ка-
ротажа записывается непрерывная кривая, или диаграмма, интенсивности
гамма-излучения. Величина измеряется в импульсах за минуту или в мик-
рорентгенах в час (гаммах). Поскольку распад ядер является случайным
процессом, то интенсивность гамма-излучения колеблется около среднего
уровня, испытывая статистические флуктуации. Для их учета применяются
повторные записи с меньшей скоростью проведения наблюдений.
Система, являющаяся частью скважинного бурового комплекса, рассчитана
на применение бурильщиками направленного бурения или операторами по
моторам/турбинам.
Небольшая длина прибора создает минимальные ограничения на наруж-
ный диаметр в бурильной колонне, что делает систему идеально примени-
мой в горизонтальных и многоствольных скважинах, в скважинах малого
диаметра и при бурении в особо малых радиусах (интенсивность искривле-
ния до 3,3 градус/метр при наращивании и бурении двигателем или до 1,65
градус/метр при роторном бурении).
Система блочной конфигурации мала и компактна, все важнейшие ком-
поненты подлежат транспортировке вертолетом. Монтаж и испытание
системы очень просты и осуществимы в промысловых условиях в малых
временных интервалах и не требуют многочисленного обслуживающего
персонала.
С коммерческой точки зрения, точность спецификации и дизайна системы
«Ориентир» обеспечивает низкие общие затраты, связанные с ее исполь-
зованием и обслуживанием. Это достигается путем сведения к минимуму
количества приборов, необходимых для получения дохода с единицы, и
связанных с этим периодов простоя. Простота системы обеспечивает невы-
сокий объем затрат на сервисное обслуживание.
582
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
На рис. 8.5 показана телеметрическая система измерений в процессе буре-
ния «Ориентир» с вариантами наземной и забойной аппаратуры и приме-
нением гамма-каротажа.
Рис. 9.5. Базовая схема стандартной системы с гамма-каротажем
Блочный характер системы позволяет осуществить демонтаж на отдельные
компоненты, облегчая перевозку и обслуживание. На рис. 9.6 представлен
общий вид передатчика телеметрической системы.
Если не используется гамма-модуль и имеется блок датчиков — стандарт-
ные трехосные магнетометры и акселерометры, а также электроника управ-
583
Телеметрия в теории и на практике
ления, позволяющая производить полную инклинометрию и регулировку
направления в полном диапазоне наклонения 0-180°, то инклинометричес-
кий модуль телесистемы, представленный на рис. 9.7, устанавливается в
нижней части телесистемы.
Рис. 9.6. Бортовой передатчик системы «Ориентир»
Рис. 9.7. Блок инклинометрический
В системе существует:
•	Возможность программирования прибора с поверхности.
•	Возможность полной инклинометрии, причем можно выбирать ре-
жим передачи: обработанные или необработанные данные. Необра-
ботанные данные передаются, если применяется корректировка на
магнитные помехи бурильной колонны или иную близость датчи-
ков к магнитным массам.
Передача параметров качественности съемки, таких как температу-
ра и локальное магнитное поле.
584
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
•	Выбор стандартной или скоростной актуализации данных положе-
ния передней поверхности прибора. Состоит в адаптивном измене-
нии частоты дискретизации контролируемого параметра положе-
ния передней поверхности прибора.
•	Имеется возможность адаптивного перехода системы с магнитного
на гравитационный режим, когда наклонение превышает заданное
значение (по умолчанию — 3е).
Наземная система преобразовывает телеметрическую информацию и вы-
дает данные на дисплей в виде азимута, наклонения и положения передней
поверхности прибора.
Инженер по MWD-системам может выбирать между обычным текстуаль-
ным дисплеем последней съемки, информацией об изменении направле-
ния или графическим дисплеем, показывающим данные гамма-каротажа.
Информация о последней съемке и о предыдущих изменениях направле-
ния отображается на дисплее. Данные съемки обрабатываются с целью
просчета имеющихся на данный момент координат и истинной вертикаль-
ной глубины и заносятся в базу данных. Данные съемок можно хранить в
формате ASCII или в формате базы данных (DBF) для передачи на другие
компьютерные программы по направленному бурению. Информация о
предыдущих положениях передней части прибора сохраняется в файле
каротажа для последующего анализа, если таковой необходим.
Блок сопряжения системы (SIB) является сердцем системы. Это мульти-
плексное приспособление, обрабатывающее первичный сигнал со сква-
жинного прибора и направляющее информацию на ряд периферийных
устройств системы и персональный компьютер. Он содержит устройство
двойной фильтрации и выделения полезного сигнала, искробезопасную за-
щиту датчика давления и дисплея. Датчики состояния насосов позволяют
отсечь шумы и наводки на сигнал. Этим достигается правильная детекция
и распознаваемость сигналов пульсации от передатчика. Имеется возмож-
ность вывода информации на термальный ленточный самописец SIB, на-
стройки которого регулируются с ручного терминала.
Портативный компьютер является основным устройством системы. На пор-
тативный компьютер поступает поток данных с SIB. Полученная информа-
ция в виде импульсов преобразуется в значимые цифры. На компьютер также
поступает информация от узла прослеживания глубины (DTU), если ведется
гамма-каротаж. Результаты съемки и остальная информация отображаются
на дисплее и записываются на жесткий диск. Данные съемки и положения
передней части прибора передаются на дисплей буровой установки (RFD).
С целью распечатки последовательности импульсов сигнала и обработанных
данных к персональному компьютеру обычно присоединяется принтер.
585
Телеметрия в теории и на практике
Дисплей на буровой установке (RFD) обеспечивает возможность контроля
за съемкой и данными положения передней поверхности, получаемыми с
инклинометрического прибора и гамма-каротажей, и позволяет регулиро-
вать параметры бурения с целью изменения траектории скважины в нуж-
ном направлении.
Работа передатчика
Передатчик генерирует импульсы для передачи данных из скважины на по-
верхность. Структурная схема передатчика представлена на рис. 9.8. Им-
пульсы создаются путем регулировки открытия и закрытия клапана внутри
передатчика, позволяя малому количеству бурового раствора пройти из-
нутри бурильной колонны в затрубное пространство ствола, минуя долото.
Узел
источника
Узел
электроники
ГИС (SEA)
питания A(PSA) питания
исполнительного
механизма
Рис. 9.8. Структурная схема бортового передатчика
Этим создается малая потеря давления внутри бурильной колонны. В пе-
редатчике имеется реле давления, способное обнаруживать, включены или
выключены насосы бурового раствора. Это реле используется для управ-
ления функциями колонны прибора. Регулятор питания исполнительного
механизма регулирует период между открытиями клапана передатчика и
длину импульса в соответствии с инструкциями, получаемыми с узла элек-
троники. Это позволяет осуществить передачу данных из скважины на по-
верхность в виде кодированной последовательности импульсов давления
(рис. 9.9).
Рис. 9.9. Кодированная последовательность импульсов давления в скважине
586
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
Блок электроники для геофизических исследований имеет стандартные
трехосные магнетометры и акселерометры для замера наклонения (0-180°),
азимута (0-360°) и положения передней поверхности прибора (0-360°) —
отклонителя. Эта секция также имеет микропроцессор, связанный с реле
давления передатчика и регулирующий все функции прибора.
Точную нужную последовательность импульса данных можно задать с по-
верхности. Путем включения/выключения насосов бурового раствора в за-
данной последовательности оператор может управлять режимами работы и
характеристиками системы телеметрии.
Рис. 9.10. Стандартная гамма-сборка
Забойный прибор гамма-каротажа прикрепляется к стандартной инклино-
метрической сборке телесистемы ниже узла электроники (рис. 9.10). Име-
ются его две модификации:
•	Стандартный прибор гамма-каротажа. Имеет способность вести за-
пись данных гамма-каротажа как в реальном времени при бурении,
так и в режиме запоминания в запоминающее устройство — с 16-
секундным интервалом на протяжении свыше 200 часов бурения.
•	Прибор гамма-каротажа с записывающим устройством повышенной
вместимости. Имеет способность вести запись данных гамма-каро-
тажа как в реальном режиме бурения, так и в режиме запоминания с
8-секундным интервалом дискретизации на протяжении более чем
400 часов бурения.
587
Телеметрия в теории и на практике
Гамма-детектор представляет собой высокопрочный узел фотоумножителя
и счетчика. С целью обеспечения прочности и надежности оборудования
гамма-детектор имеет встроенный амортизатор и гаситель вибрации.
Имеются следующие модули для усовершенствования наземной системы.
•	Круговой датчик положения вала (или датчик гидростатического
давления на платформах) для контроля положения ведущей трубы
или верхнего привода.
•	Датчик нагрузки на крюке для определения, находится ли колонна
в клиньях или нет.
•	Узел прослеживания глубины: микропроцессорное устройство, по-
лучающее информацию с глубинного датчика и датчика нагрузки
на крюке и подсчитывающее глубину, на которой находится долото
на данный момент, после чего данные передаются на компьютер с
интервалом в 15 секунд.
•	Безостановочный термопринтер обеспечивает как черновую, так и
окончательную распечатку графика на рулонной или веерной бума-
ге (для последующего копирования).
Данные каротажа можно также выводить в стандартном формате базы дан-
ных или на дискету.
Основными характеристиками системы являются:
•	Универсальность и модульность.
•	Общий наружный диаметр 89 мм.
•	Система достаточно гибка для использования при бурении в ко-
ротком радиусе. Она рассчитана на искривление до 3?3 градус/метр
(1 градус/фут) при скольжении и на 1,65 градус/метр (0,5 градус/
фут) при вращении.
Электромагнитная система
Электромагнитные системы передачи используются в MWD-телесистемах
уже несколько лет. На ранней стадии своего развития технология MWD-
систем активно развивалась, поскольку обещала обеспечить большую ин-
формативность, чем гидроканальные системы, и обладала большей износос-
тойкостью. Однако работа таких систем была нестабильной, и существовала
трудность передачи данных в разных породах (поскольку различная порода
588
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
имеет различное удельное сопротивление). Не было никаких гарантий, что
при использовании таких систем не последует проблем с передачей и де-
текцией, несмотря на большую скорость передачи данных, чем у систем с
использованием гидроканала.
На сегодняшний день электромагнитные системы нашли применение в не-
глубоких скважинах при наличии аэрированных растворов и при сбалан-
сированном бурении.
Электромагнитная система использует электрические потенциалы для пе-
редачи данных (рис. 9.11). Низкочастотный сигнал переменного тока по-
дается на терминалы диполя. Электроды диполя непосредственно контак-
тируют с породой, которая представляет собой относительно малоомный
проводник. Сильный переменный ток проходит через породы. Некоторая
малая доля этой энергии достигает поверхности, и происходит передача
данных. Необходимо отметить, что сигнал изменяется по амплитуде и ка-
чество детекции импульсов будет зависеть от структуры пород и изменения
положения телесистемы относительно буровой скважины.
На поверхности устанавливаются три электрода высокой проводимости,
которые погружены в почву — два дифференциальных электрода для сиг-
нала и заземляющий электрод. Электроды присоединены к специальному
обрабатывающему модулю, который расшифровывает переданные данные
и передает информацию к наземной системе. Вся полученная информация
отражается на экране компьютера и пульте буровой установки.
Максимальное гидростатическое давление, при котором используется дан-
ная система, составляет 10-20 атмосфер для стандартного исполнения, 1360
атмосфер для высокоупорного исполнения. Имеются примеры успешного
использования данных систем на глубинах более чем 6000 метров по вер-
тикали.
Длина телесистемы — от 4,5 метров для стандартной инклинометрической
системы (без гамма-модуля) до 8,0 метров (при использовании гамма-мо-
дуля).
К буровому раствору никаких специальных ограничений не применяется.
Ниже приведены некоторые эксплуатационные характеристики:
•	Рабочая температура - от -50 °C до +150 °C.
•	Максимальные ударные нагрузки: до 1000 g / 0,5 мс.
•	Максимальные вибрационные нагрузки: разнонаправленные — до
20g при частотах 30-300 Гц, однонаправленные — до 30g при часто-
тах 50-300 Гц.
589
Телеметрия в теории и на практике
Рассмотренные системы построены на основе последних достижений в
сфере телекоммуникаций и широко используются в мировой практике при
контроле объектов нефтегазовой промышленности.
Рис. 9.11. Схема функционирования электромагнитной системы
9.1.8. Сейсморазведка в скважинах глубокого бурения
При проведении бурильных работ применяется аппаратурно-программный
копмлекс регистрации и экспресс-анализа данных скважинной сейсмо-
разведки [8]. Модульная программно-управляемая цифровая аппаратура
предназначена для высокочувствительной скважинной сейсморазведки в
скважинах диаметром от 76 до 340 мм с температурой от -40 °C до -85 °C и
590
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
давлением до 80 МПа.
Скважинная часть аппаратуры включает скважинные телеметрические ре-
гистраторы, предназначенные для предварительного усиления сигналов от
сейсмических датчиков, аналого-цифрового преобразования, накопления,
временного хранения и передачи цифровой геофизической информации по
двухпроводной линии связи.
Наземная часть аппаратуры содержит:
1.	Наземный регистратор, по конструкции аналогичный скважинному
и предназначенному для наземных контрольных наблюдений.
2.	Адаптер линии связи, предназначенный для организации обмена
данными по двум двухпроводным линиям связи между телеметри-
ческими зондами и USB-портом бортового вычислительного комп-
лекса, а также для управления системой синхронизации возбужде-
ния.
3.	Бортовой компьютер типа Notebook с процессором Pentium, пред-
назначенный для управления работой зондов, оперативного контро-
ля, сбора и обработки принимаемой геофизической информации.
Основные технические характеристики скважинного телеметрического ре-
гистратора:
•	Вес приемного модуля 11 кг;
•	Количество каналов - 3;
•	Усилие на конце рычага прижимного устройства 85-100 кг;
•	Конструкция узла сейсмоприемников —• трехкомпонентная ортого-
нальная;
•	Шаг дискретизации сигналов 0,25, 0,5,1, 2, 4 мс;
•	Длина регистрируемой сейсмотрассы — 7000 отсчетов;
•	Мгновенный динамический диапазон 110 дБ;
•	Количество разрядов аналого-цифрового преобразователя 23 плюс
знак.
С помощью аппаратурно-программного комплекса возможно решение ши-
рокого круга геологических задач:
•	Изучение отражательных свойств среды для продольных попереч-
ных и обменных волн;
591
Телеметрия в теории и на практике
•	Изучение скоростной характеристики разреза для волн различных
типов (продольные, поперечные);
•	Стратификация сейсмических отражающих горизонтов;
•	Изучение околоскважинного пространства и прогнозирование гео-
логических свойств разреза ниже забоя исследуемой скважины;
•	Изучение параметров поляризации и упруго-деформационных мо-
дулей геологического разреза;
Применение подобных систем в нефтегазодобывающей промышленности
имеет актуальность и значимость при разведке глубинных пород.
Резюмируя проведенный обзор современных специализированных теле-
метрических систем, можно с уверенностью сказать, что рассмотренные ма-
лые телеметрические системы прочно заняли свою нишу при решении за-
дачи контроля за состоянием и управлением буровых установок и скважин,
разветвленных систем трубопроводов и транспортных составов, танкеров и
морских буровых вышек и многих других задач, востребованных в нефтега-
зодобывающей промышленности.
9.2.	БОЛЬШИЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
9.2.1.	Автоматизированная система управления технологи-
ческими ПРОЦЕССАМИ УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА
Процесс каталитического крекинга является основным процессом, направ-
ленным на углубление переработки нефти как за рубежом, так и в России.
Целевым назначением процесса является получение высококачественного
компонента автомобильных бензинов с октановым числом 91-93. При ка-
талитическом крекинге образуется значительное количество газа, богатого
пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракциями (сырье для произ-
водства высокооктанового эфира МТБЭ, алкилата и других ценных компо-
нентов моторного топлива). Установки каталитического крекинга являются
также поставщиком сырья для производства высококачественного кокса и
завода технического углерода.
Автоматизированная система управления (АСУ) технологическими про-
цессами (ТП) установки каталитического крекинга предназначена для оп-
592
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
тимального ведения технологического процесса каталитического крекинга
вакуумных прогонов с целью дополнительного получения светлых нефтеп-
родуктов, обеспечения безаварийной эксплуатации оборудования установ-
ки [9].
Автоматизированная система телеуправления ТП представляет собой ком-
плекс программно-технических средств на базе SIMATIC PCS7, реализую-
щих следующие функции:
•	сбор и архивирование оперативной информации о работе установ-
ки;
•	контроль аварийных отклонений технологических параметров;
•	контроль и управление состоянием технологического оборудова-
ния;
•	автоматическая защита и блокировка оборудования;
•	управление технологическим процессом;
•	расчет технико-экономических показателей;
•	регулирование технологических параметров;
•	анализ предаварийных ситуаций;
•	выдача оперативной информации о ходе технологического процес-
са на станциях отображения информации;
•	подготовка и обмен информацией со смежными системами управ-
ления;
•	диагностика работоспособности технологического оборудования.
Нижний уровень АСУ ТП имеет две подсистемы контроллеров:
•	подсистема управления;
•	подсистема противоаварийной защиты.
Система ввода/вывода выполнена на дублированных станциях ЕТ200М
и активных шинных модулях, дающих возможность замены модулей без
отключения питания. Связь между контроллерами и станциями распреде-
ленного ввода/вывода осуществляется на витой паре. Структурная схема
системы представлена на рис. 9.12.
Верхний уровень системы включает в себя два резервированых сервера, две
клиентских операторских станции. Серверы системы имеют следующую
конфигурацию:
593
Телеметрия в теории и на практике
оперативная память 256 Мб;
видеокарта Matrox MSS G200;
два коммуникационных процессора Industrial Ethernet CPI613;
два монитора;
винчестер HDD SCSI 18 Гб;
операционные системы Windows NT 4.0 Server, PCS7 OS Server;
клиентские станции RI 840 SIEMENS;
K₽l-C6₽8fcFZ
ЮНООтЫ
OS Server 2 Y	* cun i	Cwt 2 T
вйм ttlltt
WWW IBH ЯК НИК	WKw Я8И1 лЯЯМ
ET-2ODM
ET-2COM
ET-2O3M
ET-XOM
Рис. 9.12. Структурная схема АСУ ТП
594
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
Связь контроллеров с операторскими станциями производится с помощью
Industrial Ethernet - OSM 62ITP. Связь между серверами системы и клиен-
тами организована по Fast Ethernet со скоростью 10/100 Мб/с. В качестве
линий связи использованы оптоволоконные линии.
Общий объем переменных, используемых в системе отображения, состав-
ляет около 19000. Таким образом, АСУ ТП является мощной информаци-
онно-управляющей системой контроля состояния объектов нефтегазовой
промышленности.
9.2.2.	Система автоматизации для узла сепарации нефти
Узел сепарации нефти предназначен для сбора, предварительной сепара-
ции, учета и перекачки нефти и попутного газа. С части скважин смесь не-
фти и газа поступает под собственным давлением, а в остальных использу-
ются погружные насосы. Далее смесь поступает в блочную сепарационную
установку и нефтегазосепаратор, где происходит ее первичная дегазация.
Отделенный газ перегоняется в газосепаратор и роторно-сепараторный
каплеуловитель, а нефть накапливается в буллитах и периодически откачи-
вается в транзитный трубопровод. Для учета объемов добычи нефти на узле
используется автоматическая групповая замерная установка «Спутник»
на 8 скважин. Для учета объема попутного газа применяется комплексный
датчик с вычислителем расхода [10].
Система обеспечивает:
сбор и обработку аналоговых и дискретных сигналов, описываю-
щих состояние объекта автоматизации и технологического обору-
дования;
контроль и управление насосами перекачки нефти» клапанами, за-
движками, вентиляцией;
архивирование параметров технологического процесса и печать
отчетных форм, в том числе и по групповой замерной установке
«Спутник»;
диагностику каналов дискретного ввода, автоматическое резерви-
рование систем, отображение текущей и архивной технологической
информации.
Характеристики системы автоматизации:
595
Телеметрия в теории и на практике
количество сигналов ввода/вывода: 120;
- 2 CPU S7-314 (SW Redundancy);
1 станция оператора (WinCC 5.1);
используемая сеть — MPI.
Система автоматизации для узла сепарации нефти построена на основе
современных технологий и является одним из перспективных направлений
применения информационно-управляющих систем в нефтегазодобываю-
щей промышленности.
9.2.3.	Коммерческие проекты нефтегазовой промышленнос-
ти С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ТЕЛЕМЕТРИИ
Контроль за работой газопровода. Для контроля за возможной утечкой газа
и управления насосными станциями осуществляется непрерывный обмен
данными с центральным пультом диспетчера. В качестве линий передачи
часто используются разветвленные кабельные сети. Наряду с крайне низ-
кой надежностью, обусловленной природными и климатическими усло-
виями, поддержание кабельного хозяйства в рабочем состоянии связано с
серьезными финансовыми затратами. В связи с этим в настоящее время на-
блюдается отказ от использования связных кабелей и тенденция развития
средств передачи данных по радиоканалу. Целесообразность такого реше-
ния также обусловлена наличием радиорелейных линий связи протяжен-
ностью тысячи километров, проложенных вдоль газопроводов. Имеются
интересные технические решения, предусматривающие установку одного
дуплексного радиомодема на каждом узле радиорелейной связи (всего 25
узлов) и 75 полудуплексных модемов на каждой компрессорной станции.
Каждый дуплексный модем обеспечивает обмен данными по заданному ал-
горитму с модемами на трех компрессорных станциях, расположенных на
удалении до 50 км. Ввод системы в эксплуатацию позволяет существенно
повысить надежность дистанционного контроля и управления. Цикл опро-
са всех контрольных датчиков на заданном участке газопровода занимает
несколько секунд. При этом техническое обслуживание системы сводится
к проверке рабочих параметров и дистанционно выполняемой настройке и
исключает необходимость выезда персонала в пункты установки оборудо-
вания. Временные затраты на выполнение этих работ составляют примерно
30 минут на каждое устройство в год [11].
Контроль и управление компрессорными станциями на автомобильных шас-
си. Интересным проектом является внедрение телеметрических средств
596
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
на компрессорных станциях, установленных на автомобильных шасси и
используемых на обширной территории. Порядок эксплуатации данных
насосных станций предполагает их развертывание в заданном пункте и пре-
бывание там в течение нескольких суток до заполнения емкостей. Каждая
насосная станция работает автономно и оснащается средствами автомати-
ческой подачи сигнала тревоги и отключения насоса. Контроль за работой
насосных станций осуществляется мобильными группами, связь между ко-
торыми поддерживается по радио. Эти же группы контролируют процесс
заполнения емкостей. В случае обнаружения неисправности мобильная
группа вызывает по радио ремонтную бригаду. Использование средств те-
леметрии и телеуправления позволяет организовать автоматический сбор
данных о параметрах работы насосных станций в реальном масштабе вре-
мени и отказаться от использования мобильных групп. Кроме того, это поз-
воляет существенно сократить время реакции технических групп в случаях
нештатной работы оборудования и выполнения ремонтных работ, посколь-
ку более полная информация о характере неисправности позволяет выез-
жать к месту аварии с набором всех необходимых запасных частей. Эконо-
мический эффект: экономия финансовых средств, связанная с отказом от
использования мобильных контрольных групп и высвобождением персо-
нала для выполнения ремонтно-восстановительных работ, существенное
сокращение сроков ликвидации аварий, снижение затрат, связанных с вы-
ездами к местам аварий. Развертывание средств обмена данными не требует
дополнительных затрат на организацию новой радиосети и приобретение
новых радиостанций, поскольку данные могут передаваться параллельно с
речевыми сообщениями в уже действующей сети [11].
Контроль за работой аппаратуры и управление мобильными средствами.
Контроль за работой технических средств на нефтяных полях осуществля-
ется с помощью дистанционно удаленных терминалов, которые позволяют
получать данные диагностических проверок и формировать запросы на
проведение технических мероприятий. Имеющиеся системы используют
две радиосети, для передачи речевых сообщений и обмена данными. Первая
радиосеть задействуется для связи между центральным пультом и мобиль-
ными группами технического обслуживания, а вторая — для обмена дан-
ными между центральным пультом и дистанционно удаленными термина-
лами. В случае получения сигнала тревоги с центрального пульта отдается
речевое распоряжение на выезд мобильной группы технического обслу-
живания. При прибытии к месту аварии производится повторная провер-
ка работы, результаты которой передаются диспетчеру по каналу речевой
связи. Диспетчер, в свою очередь, производит проверку работы терминала и
передает результаты проверки мобильной группе технического обслужива-
ния. Поскольку каждый цикл ремонтно-восстановительных работ требует
597
Телеметрия в теории и на практике
проведения многократных проверок, процесс занимает значительное вре-
мя. Использование телеметрических средств позволяет организовать обмен
данными в радиосети мобильных групп технического обслуживания и ис-
ключить диспетчера из технологической цепочки. С этой целью использу-
ются мобильные компьютеры, установленные на транспортных средствах
мобильных технических групп. В результате существенно сокращаются
сроки выполнения ремонтно-восстановительных работ и снижается время
реакции на вызов, поскольку сигнал тревоги поступает в адрес группы тех-
нического обслуживания напрямую. Мобильные группы получают более
полную и точную информацию, необходимую для проведения качественно-
го ремонта. Кроме того, снижаются временные затраты на подготовку отче-
тов о проведенных работах и повышается их полнота, поскольку появляет-
ся возможность их подготовки в процессе выполнения работ и передачи на
центральный пульт по каналу связи [11].
Организация обмена данными между морскими буровыми платформами с
передачей телеметрической и навигационной информации от НСС Навстар/
GPS. Основные буровые платформы оснащаются аппаратурой спутниковой
связи и подключены к собственной глобальной вычислительной сети. Плат-
формы меньшего размера не оснащаются такой аппаратурой. Производить
установку аппаратуры спутниковой связи на малых платформах невыгодно.
Целесообразно использовать для обмена данными среднескоростные моде-
мы. Использование средств передачи данных позволяет организовать обмен
данными между малыми и крупными буровыми платформами и обеспечить
таким образом доступ персонала малых платформ к глобальной вычисли-
тельной сети через аппаратуру спутниковой связи больших платформ. В ре-
зультате отпадает необходимость развертывания более дорогостоящей ап-
паратуры. Кроме того, предложенное решение ведет к повышению загрузки
и эффективности эксплуатации каналов спутниковой связи.
Контроль за состоянием нефтепровода в арктических районах. Серьезной
задачей, стоящей перед нефтедобывающими компаниями, является конт-
роль за утечкой нефтепродуктов и обеспечение экологической безопаснос-
ти в регионе. Использование средств телеметрии позволяет организовать
контроль с необходимой надежностью и качеством.
Сбор данных о состоянии технических средств и обмен данными между мо-
бильными ремонтно-восстановительными бригадами. В нефтедобывающей
промышленности при эксплуатации систем и агрегатов, размещенных на
значительной территории, возникает необходимость в организации сбора
данных об их работе и доведении этой информации до ремонтно-восстано-
вительных бригад в масштабе времени, близком к реальному. Использова-
ние средств телеметрии позволяет успешно решить такую задачу. В связи с
598
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
достаточно большой оперативной зоной в составе такой системы необходи-
мо использовать ретрансляторы. Кроме того, применяют транковые радио-
станции, обеспечивающие обмен данными со скоростью 4800 бит/с.
Замена существующей диспетчерско-информационной системы. Современ-
ные средства позволяют организовать обмен данными со скоростью 4800
бит/с и существенно расширить оперативную зону за счет использования
большого количества базовых станций. В ряде проектов рассматривается
вопрос о включении в состав системы многостанционного контроллера,
обеспечивающего автоматическое подключение мобильного пользователя
к ближайшей базовой станции, обеспечивающей лучшие условия работы.
Повышение точности определения границЪефтяныхразливов. Создание сис-
темы обмена данными между надводными (наземными) и авиационными
средствами, привлекаемыми к проведению операций по ликвидации пос-
ледствий аварий, позволяет значительно повысить эффективность и качес-
тво проводимых мероприятий. Система позволяет передавать результаты
аэрофотосъемки на привлекаемые к проведению операции суда в масштабе
времени, близком к реальному, непосредственно с борта ведущего наблюде-
ние самолета. Передача одного аэрофотоснимка в цифровой форме (объем
около 200К каждый) с борта самолета со скоростью 4800 бит/с занимает 8-
10 минут. При этом обеспечивается обмен речевыми сообщениями по тому
же радиоканалу
Управление железнодорожными составами под землей. Существуют и реали-
зованы проекты дистанционного управления вагонетками, доставляющими
золотоносную руду к подземной дробильной установке на глубине 1,5 км
перед ее подъемом на поверхность. Общая масса состава вагонеток дохо-
дила до 30 тонн, протяженность пути составляла около 500 метров. Пред-
ложенное решение позволило создать надежную систему дистанционного
управления в условиях чрезвычайно высокого уровня шумов, создаваемых
электрическими двигателями локомотива. Впоследствии, после замены
примененных в составе системы программируемых контроллеров на бо-
лее совершенные, скорость обмена данными была увеличена с 2400 до 9600
бит/с [И].
9.2.4.	Использование телеметрических средств космичес-
ких СИСТЕМ В ИНТЕРЕСАХ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ
Сбор телеметрической информации с использованием средств спутни-
ковой связи может быть незаменимым при эксплуатации стационарных
технологических объектов, расположенных на значительном удалении от
599
Телеметрия в теории и на практике
центров хранения и обработки
информации. Например, кос-
мическая система GlobalAsia
применима как на наземных,
так и на надводных стационар-
ных объектах независимо от их
типа и расположения, что яв-
ляется очень удобным для не-
фтегазодобывающей промыш-
ленности, в которой имеются
как наземные, так и морские
буровые вышки, находящиеся
на значительном удалении от
основных коммуникационных
узлов и магистралей [12].
Спутниковые терминалы,
предварительно запрограм-
мированные и установленные
на удаленных объектах с под-
ключением к источникам те-
леметрической информации
— датчикам, в комбинации с
программным обеспечением
диспетчерского центра, заре-
гистрированным в центре пе-
редачи данных оператора, поз-
воляют осуществлять:
•	регулярный сбор теле-
метрической информа-
ции путем непрерыв-
ного опроса датчиков,
установленных на удаленном объекте, на предмет их текущего со-
стояния и периодического получения отчетов об их последнем со-
стоянии;
•	оперативный сбор телеметрической информации путем незамедли-
тельного получения внеочередных отчетов о последнем состоянии
датчиков, установленных на объекте, в ответ на удаленный запрос с
диспетчерского центра;
•	установление условий автоматической активации регулярного сбо-
ра телеметрической информации, таких как программный таймер
600
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
или отклонение значения текущего состояния датчиков от крити-
ческих величин;
•	постоянный надзор за текущим состоянием удаленного объекта пу-
тем автоматической обработки и визуализации всей полученной те-
леметрической информации на карте-схеме диспетчерского центра;
•	удаленное управление сбором телеметрической информации путем
активации/деактивации управляющей программы спутникового
терминала, а также изменения параметров логики ее работы пос-
редством специальных входящих сообщений — команд управле-
ния;
•	дистанционное управление состоянием удаленного объекта путем
управления его электрическими цепями, подключенными к выхо-
дам контроллера абонентского терминала, посредством изменения
текущего состояния таких выходов вследствие специальных входя-
щих сообщений — команд управления.
Система позволяет осуществлять сбор телеметрической информации с мо-
бильных объектов. Установленные на транспортных средствах спутниковые
терминалы наряду с процессом слежения позволяют осуществлять дистан-
ционный контроль текущего состояния грузов и транспорта, например же-
лезнодорожных составов или танкеров с грузом нефтепродуктов.
Спутниковые терминалы, предварительно запрограммированные и уста-
новленные на транспортных средствах, перевозящих нефтепродукты, в ком-
бинации с программным обеспечением диспетчерского центра, зарегистри-
рованным в центре передачи данных оператора, позволяют осуществлять:
•	регулярное отслеживание местонахождения и параметров движе-
ния транспорта путем непрерывного позиционирования и периоди-
ческого получения отчетов о последнем местоположении транспор-
тных средств;
•	оперативное отслеживание местонахождения и параметров движе-
ния транспорта путем незамедлительного получения внеочередных
отчетов о последнем местоположении транспортных средств в ответ
на удаленный запрос с диспетчерского центра;
•	установление условий автоматической активации регулярного от-
слеживания, таких как программный таймер или нарушение геогра-
фического периметра, отклонение дистанции до реперной точки,
отклонение прочих параметров движения от заданных величин;
•	постоянный надзор за соблюдением маршрутов и графиков движе-
601
Телеметрия в теории и на практике
ния транспорта путем автоматической обработки и визуализации
всей информации, полученной с транспортных средств, на карте
диспетчерского центра;
•	удаленное управление слежением путем активации/деактивации
управляющей программы спутникового терминала, а также измене-
ния параметров логики ее работы посредством специальных входя-
щих сообщений — команд управления;
•	двусторонний обмен информацией с транспортными средствами
посредством приема/передачи специальных текстовых сообщений;
•	дистанционный контроль за текущим состоянием грузов и транс-
порта путем получения отчетов о состоянии датчиков, установлен-
ных на транспортном средстве и подключенных к входам контрол-
лера абонентского терминала;
•	дистанционное управление состоянием транспорта путем управле-
ния его электрическими цепями, подключенными к выходам конт-
роллера абонентского терминала, посредством изменения текущего
состояния таких выходов вследствии специальных входящих сооб-
щений — команд управления.
Ипользование космических средств позволяет снизить стоимость эксплуа-
тации средств дистанционного контроля объектов нефтегазовой промыш-
ленности. Это связано с единой тарифной политикой на всей территории
обслуживания и, как следствие, отсутствием эффекта «удорожания при
роуминге», что позволяет системе успешно конкурировать с аналогичны-
ми сервисами на базе сотовых сетей связи. Другой важной особенностью
системы является ее функциональная технологичность, заключающаяся
в возможности программирования контроллера абонентского терминала,
наличии удаленного управления текущими параметрами работы управля-
ющей программы, возможностью оперативно менять действующие услуги
связи, выбирать и устанавливать наиболее подходящие для текущих целей
и задач логику и параметры работы системы.
Система GlobalAsia действует через космический сегмент глобальной под-
вижной системы спутниковой связи Inmarsat (рис. 9.13). Предварительно
установив канал связи с одним из спутников Inmarsat, спутниковые терми-
налы поддерживают постоянное двустороннее соединение с операторским
сегментом системы через наземную станцию спутниковой связи, соединен-
ную с центром передачи данных посредством выделенного наземного канала.
Диспетчерский сегмент системы GlobalAsia представлен клиентским про4
граммным обеспечением, отвечающим за получение через Интернет ин-
602
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
формации об удаленном объекте из центра передачи данных, визуализацию
полученной информации, а также за генерацию исходящих на удаленный
терминал запросов и команд.
космический сегмент
Рис. 9.13. Общая сжата системы GlobalAsla
В целом систему спутниковой связи GlobalAsia выгодно отличают следую-
щие показатели:
•	двусторонняя связь: способность обеспечивать двусторонний канал
спутниковой связи позволяет поддерживать не только контрольные
функции систем слежения и телеметрии, но и функции управления
— прием и соответствующую отработку команд из удаленного дис-
петчерского центра;
•	глобальное покрытие: передача и прием сообщений может произво-
диться практически в любой точке земной поверхности — на суше,
на воде и в воздухе (за исключением полярных зон);
603
Телеметрия в теории и на практике
•	интеграция с системой GPS: встроенный в терминал GPS-приемник
делает его высокоэффективным и самодостаточным устройством
для определения текущих параметров местоположения удаленного
объекта (географические координаты, скорость и направление дви-
жения, высота над уровнем моря) с их последующей передачей в
диспетчерский центр;
•	малый вес и габариты: небольшие размеры и масса спутниковых
терминалов делают их удобными к установке и применению не
только на стационарных, но и на мобильных объектах, таких как ав-
томобили, корабли, самолеты;
•	«встроенный интеллект»: встроенный в терминал программируе-
мый контроллер управления может быть запрограммирован как на
автоматическую работу в автономном режиме, так и на полуавтома-
тическую.
Космический сегмент системы GlobalAsia представлен четырьмя рабочими
и одним резервным геостационарным спутниками Inmarsat третьего поко-
ления. Формируя перекрывающие друг друга регионы обслуживания (не
считая экстремальные полюсные зоны), каждый из спутников покрывает
одну третью часть земной поверхности и занимает позицию над одним из
четырех океанов для обеспечения непрерывного глобального покрытия
(рис. 9.14).
Рис. 9.14. Зоны покрытия космического сегмента системы GlobalAsia
Спутниковый терминал SАТ-201 является абонентским терминалом, спе-
циально разработанным для слежения за мобильными объектами. Терми-
нал выполнен в виде единого герметичного влагозащищенного «антенно-
го» блока «внешнего» исполнения, объединившего в себе всенаправленную
спутниковую антенну, приемник GPS, двухсторонний спутниковый модем
604
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
и программируемый контроллер управления (рис. 8.15).
Рис. 9.15. Общий вид абонентского терминала SAT-201
Терминал оснащен усовершенствованной встроеной антенной, которая
обеспечивает прием/передачу спутникового сигнала при минимальном
угле возвышения О’над линией горизонта, а также улучшает характеристи-
ки энергопотребления терминала, что значительно увеличивает время его
работы от автономного источника питания [12].
В спутниковом терминале SАТ-201 отсутствуют аккумуляторный блок и
зарядное устройство аккумулятора, вход цепи питания от солнечных бата-
рей и аналоговая выводная часть программируемых портов ввода/вывода,
общее количество которых сокращено до минимума. Отсутствие высоко-
частотного антенного кабеля делает SАТ-201 удобным для наружной уста-
новки в любом отдалении от источника питания на надродном, воздушном
или наземном объекте.
Технические характеристики
Габариты: 112 х 46 мм;
Предельная
температура: -40 °C +70 °C;
влажность: < 95 % при +40 °C;
вибрация: 5-20 Гц при 1,92 м2/с, 320-500 Гц при 3 дБ;
сотрясение: 300 м/с,.
Рабочий диапазон:
прием - 1525,0 - 1559,0 МГц;
передача - 1626,5 - 1660,5 МГц;
- прием GPS - 1575,42 +/-1 МГц.
605
Телеметрия в теории и на практике
Отношение «Сигнал/Шум»: > -25 дБ/K при +30 °C.
Время установления канала связи: 8 с.
Скорость передачи данных: * 10 бит/с.
Максимальный размер сообщения: исходящего 84 бита, входящего 1000 би-
тов.
Средняя точность местоопределения: 4 м.
Стандарт интерфейса: RS232.
Скорость двоичной передачи: 9600 бод/с.
Операторский сегмент системы GlobalAsia представляет собой центр пере-
дачи данных, подключенный к глобальной подвижной системе спутнико-
вой связи Inmarsat на уровне наземных станций спутниковой связи, подде-
рживающих стандарт передачи данных Inmarsat D+.
Станции спутниковой связи расположены в западном и восточном полу-
шариях, тем самым обеспечивая непрерывное глобальное покрытие земной
поверхности (за исключением полярных зон) и связь с космическим сег-
ментом системы.
Центр передачи данных оператора состоит из трех специализированных
серверов, взаимодействующих между собой в режиме реального времени
посредством SQL-технологии — Информационной базы данных, Сервера
сообщений и Биллинг-центра (рис. 8.16).
Информационная база данных — представляет собой единое структуриро-
ванное хранилище данных, которое содержит информацию, используемую
в процессе функционирования Сервера сообщений и Биллинг-центра, а
также в процессе обмена данными между ними.
Сервер сообщений — принимает, передает и обрабатывает информацию, со-
держащуюся в сообщениях, организует взаимодействие с диспетчерскими
центрами и станцией спутниковой связи, обеспечивает аутентификацию
пользователей системы — диспетчерских центров, протоколирование и
контроль доступа. Взаимодействие со станцией спутниковой связи обеспе-
чивается при помощи механизма XML-запросов/ответов через защищен-
ное HTTP-соединение. При взаимодействии с диспетчерскими центрами
используется уникальный протокол МЕР (Message Exchange Protocol). Вся
информация, используемая в процессе работы сервера сообщений, хранит-
ся в единой информационной базе данных, доступ к которой обеспечивает-
ся с применением SQL-технологии.
Биллинг-центр — отвечает за операции, связанные с обслуживанием лице-
606
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
вых счетов абонентов: производит тарификацию предоставленных услуг
связи, обеспечивает интерфейс для контроля за состоянием абонентских
лицевых счетов, а также за действующими тарифными планами, актуаль-
ными для абонентских терминалов. Во всех операциях в качестве храни-
лища данных используется единая информационная база данных, доступ к
которой обеспечивается с применением SQL-технологии. Наряду с указан-
ными основными серверами центр передачи данных оператора оборудован
всей инфраструктурой, необходимой для защищенного и бесперебойного
круглосуточного функционирования системы GlobalAsia, включая резерв-
ные каналы связи, автономное электропитание, многоуровневую защиту от
сетевых атак и несанкционированного доступа.
Рис. 9.16. Операторский сегмент системы GlobalAsia
9.2.5.	Система сбора телеметрической информации в авто-
матизированных ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ
Система сбора и отображения телеметрической информации является од-
ной из основных технологических подсистем в рамках автоматизированных
607
Телеметрия в теории и на практйке
информационно-управляющих систем (АИУС) — сложных, территориаль-
но распределенных, производственно-технических комплексов нефтегазо-
вой промышленности. Система предназначена для обеспечения контроля
технологических параметров производственных объектов и обмена данны-
ми между отдельными пунктами управления. Система должна обладать ря-
дом важных качеств: оперативность и достоверность получаемой информа-
ции, отказоустойчивость функционирования, наглядность представления
информации и др. [13].
В основе телеметрической системы АС ЕДС лежит программно-технический
комплекс БИГ-ГАЗ, состоящий из унифицированных программно-техни-
ческих компонентов. Унификация программно-технических компонентов
(ПТК) обеспечивает такие показатели, как развиваемость, ремонтопригод-
ность, что в конечном итоге позволяет достичь высокой степени надежнос-
ти функционирования системы в целом [13].
Программно-технические компоненты ПТК БИГ — ГАЗ созданы на основе
современной элементной базы, современных информационных технологий
и систем связи. Технологический процесс сбора телеметрических данных в
рамках АС ЕДС организован в соответствии со схемой, представленной на
рис. 9.17.
Структурная схема автоматического сбора информации
Унифицированные компоненты программно-технического комплекса в
свой состав включают:
1.	Устройство контролируемого пункта У КП-БИГ.
2.	Программный комплекс ПК БИГ O/V.
3.	Специализированный информационный сайт АИУС.
Специализированный информационный сайт АИУС предназначен для
отображения телеметрической информации и выполняет следующие фун-
кции:
1.	Оперативное отображение сводных данных в рамках всей АИУС.
2.	Детальное отображение данных по выбранным объектам контроля
АИУС.
3.	Просмотр архивных данных по объектам контроля АИУС за вы-
бранный период.
4.	Отображение данных в табличной и графической форме.
608
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
Специализированный информационный АИУС-сайт связан с базой данных
SQL-сервера АИУС, формируемой ПК БИГ-O/V. Отображение телеметри-
ческих данных на рабочих станциях пользователей АИУС производится
средствами Internet Explorer. Доступ к сайту организован только в рамках
корпоративной сети АИУС, только выделенным пользователям с использо-
ванием парольной защиты.
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ
ПУНКТ УПРАВЛЕНИЯ
ЛОКАЛЬНЫЙ
ПУНКТ УПРАВЛЕНИЯ
Рис. 9.17. Система сбора телеметрических данных
ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ А
20 Зак 861
609
Телеметрия в теории и на практике
Программный комплекс (ПК) БИГ-O/V представляет собой унифициро-
ванный компонент программной службы сбора телеметрической информа-
ции и ведения баз данных АИУС и предназначен для выполнения следую-
щих функций [13]:
1.	Организация сбора телеметрической информации (настройка ре-
жима и параметров сбора и передачи данных).
2.	Формирование управляющих команд для микроконтроллера УКП-
БИГ.
3.	Передача управляющих команд на микроконтроллер, подключен-
ный к СОМ-порту персонального компьютера.
4.	Прием показателей измерительных приборов, получаемых по кана-
лам связи с объектов контроля с микроконтроллера УКП-БИГ, под-
ключенного к COM-порту персонального компьютера.
5.	Хранение показаний измерительных приборов в базе данных (фор-
мат mdb), формирование структурированных файлов с показания-
ми приборов.
6.	Прием и передача структурированных файлов посредством службы
FTP (возможность использования MAPI).
7.	Отработка структурированных файлов для хранения в SQL-серве-
ре.
8.	Отображение телеметрической информации на основе технологии
геоинформационных систем.
УКП-БИГ представляет собой контроллер, предназначенный для обеспе-
чения информационного обмена в гибридных системах телеметрии (радио-
каналы, телефонные каналы, каналы сотовой связи) с широким спектром
командно-измерительных приборов [13].
Рис. 9.18. Контроллер УКП-БИГ
Контроллер обеспечивает выполнение следующих функций:
1.	Прием и обработку входных непрерывных и дискретных сигналов.
2.	Формирование и прием управляющих команд в соответствии с
610
Глава 9. Телеметрия в нефтяной и газовой промышленности
заданной программой.
3.	Управление устройствами обмена данными в соответствии с про-
граммой с возможностью организации режима ретрансляции.
4.	Хранение заданных программ информационного обмена.
Контроллер УКП-БИГ предназначен для обеспечения информационного
обмена в гибридных системах телеметрии с вычислителями и командно-из-
мерительными приборами различного типа [13].
611
Телеметрия в теории и на практике
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 9
1.	Малогабаритная телеметрическая навигационная система с ка-
бельным каналом связи МТНСК (http://users.mark-itt.ru/horizo/
text31d.htm).
2.	Телеметрическая система ТМ-ПЭН (http://www.td-irz.ru/products/
item.asp?mn=neft&id=-tmpen&ln=ru).
3.	Ропяной А. Ю. Малогабаритная гироскопическая телесистема: Упр.
траекторией бурения/Вестник Ассоциации буровых подрядчиков,
2001, №1,-с. 38-40.
4.	Датчик давления «Силикон-1» (http://ulyanovsk.marketcenter.ru/
content/gds-0-810000802.html)
5.	Комплекс погружной телеметрии (http://www.alnas.ru/products/
telem/pogr-telem/),
6.	Система быстрой телеметрии (http://www.megasignal.ru/index.
php?topgroupid=2 &groupid=75&subgroupid=83).
7.	Проводка горизонтальных скважин и боковых стволов забой-
ными телеметрическими системами (http://tpg.mlO.ru/service.
php?id=38).
8.	Иркутскгеофизика (http://www.prompages.ru/search.php7id_
r=4&param=r).
9.	Апробация системы управления установкой каталитического кре-
кинга нефти на объекте (http://www.asucontrol.ru/news/2003/april/
news~,04-,27~'2003“i6.shtml).
10.	Система автоматизации для узла сепарации нефти месторождения
«Одопту - Море» (http://www.sms-automation.ru/projects/oiland-
gas/Sakhalin.pdf).
И. Проекты реализованные с использованием радиомодемов (http://
www.rodnik.ru/htmls/s_8_2.htm).
12. GlobalAsia (http://www.globalasia.ru/).
13. Система сбора телеметрической информации (http://www.belinfogaz.
ru/big/products_telemetria_website.php).
612
Глава 10.
Применение телеметрии в
транспортном мониторинге
Применение методов и средств телеметрии в транспортной сфере базиру-
ется на использовании широкого и постоянно развивающегося спектра те-
лематических услуг: доступа к информационным ресурсам, службам элект-
ронной почты, передачи факсимильных, аудио- и видеосообщений.
В документах Международного союза электросвязи (ITU, International
Telecommunication Union) телематика определяется не просто как пере-
дача голоса или данных, а как некие транзакции в информационном про-
странстве. Наиболее динамично рынок телематических услуг развивается в
направлении дистанционного мониторинга (диспетчеризации, позициони-
рования, телеконтроля, теледиагностирования) мобильных транспортных
объектов.
10.1.	СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА МОБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
Термин «система мониторинга» следует понимать как наблюдение за состо-
янием и местоположением мобильного объекта (МО). В некоторых случа-
ях возможна также и обратная связь — управление состоянием объекта.
В общем случае в системе мониторинга мобильных объектов (СММО) со-
614
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
стояние объекта фиксируется (регистрируется) набором датчиков, установ-
ленных на МО, местоположение определяется с помощью систем позици-
онирования, обмен данных с Центром мониторинга (ЦМ) осуществляется
по выбранному (доступному) каналу связи. Основная учетная информация
о мобильном объекте заранее регистрируется в Центре мониторинга.
К основным типам мобильных объектов относятся:
•	личный легковой автотранспорт;
•	служебный легковой автотранспорт;
•	общественный транспорт (автобусы, маршрутные и легковые такси,
троллейбусы);
•	спецтранспорт (скорая помощь, инкассаторские машины, транспорт
силовых структур);
•	грузовой транспорт общего назначения;
•	грузовой специальный транспорт (бензовозы, рефрижераторы, кон-
тейнеровозы и т. д.).
Основные функции системы мониторинга мобильных объектов:
•	оперативное оповещение силовых структур о несанкционирован-
ных действиях с МО;
•	дублирование оповещения владельцу МО в случае несанкциониро-
ванных действий;
•	срабатывание тревоги при неправомочной попытке отключить ак-
кумулятор;
•	контроль вскрытия МО;
•	контроль включения/выключения зажигания;
•	контроль своевременности прихода в центр тестовых сообщений;
•	срабатывание тревоги при нажатии водителем тревожной кнопки;
•	контроль уровня заряда аккумулятора;
•	домашний мониторинг через Интернет за состоянием и маршрутом
МО на электронной карте местности;
•	автоматическое привлечение внимания операторов к инициализи-
рованным МО;
•	отправка управляющих и технологических команд на МО, вплоть
до принудительной остановки двигателя;
615
Телеметрия в теории и на практике
•	отслеживание перемещения группы МО на электронной карте;
•	просмотр маршрутов и состояний МО в заданном промежутке вре-
мени;
•	последующий анализ ситуаций за счет ведения журналов, в том чис-
ле и действий операторов.
Основными элементами системы мониторинга мобильных объектов явля-
ются:
•	система сбора информации (набор датчиков и устройство обработ-
ки, установленные на мобильных объектах);
•	система позиционирования (навигационные системы, системы
GSM-позиционирования и т. д.);
•	система связи, обеспечивающая передачу данных от мобильного
объекта в Центр мониторинга;
•	система обработки, анализа, хранения и отображения поступающей
информации.
10.1.1.	Система сбора информации
В состав системы сбора информации входят датчики, тип, количество и ме-
тоды их установки. Тип датчиков определяется в первую очередь функцио-
нальным назначением мобильного объекта.
Основные типы применяемых датчиков:
• Триггерные датчики:
о	датчики открытия дверей, капота, багажника;
о	датчики фиксации удара, изменения объема, разбивания
стекла;
о	датчики замка зажигания (пуска двигателя);
о	датчики движения;
о	тревожная кнопка.
• Уровневые датчики:
о датчики уровня топлива в бензобаке;
о датчики уровня заряда аккумуляторной батареи;
616
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
о датчики веса груза;
о датчики уровня транспортируемой жидкости;
о температурные датчики.
• Прочие датчики.
Выбор устанавливаемых датчиков в конечном итоге определяется всей со-
вокупностью условий эксплуатации конкретного объекта. К примеру, для
инкассаторской машины, оставляемой на ночь на хорошо охраняемой га-
ражной закрытой стоянке, можно отказаться от режима «Сторож» и обеспе-
чивающих этот режим датчиков. Для бензовоза, эксплуатируемого в авто-
матизируемой системе заливки и разлива топлива, потребуется установка
соответствующего уровнего датчика и т. д.
Вся информация о состоянии МО автоматически фиксируется из датчи-
ков в регистры памяти специального контроллера, который тем или иным
способом осуществляет обмен данными с Центром мониторинга. На МО,
помимо датчиков и контроллера, должно быть оборудование передачи дан-
ных, антенна позиционирования и антенна приема/передачи данных (иног-
да могут быть совмещенные варианты), а также резервный аккумулятор.
10.1.2.	Система позиционирования
Местоположение МО определяется с помощью систем позиционирования,
которые также определяются в каждом конкретном случае использования
системы мониторинга мобильных объектов (СММО).
В системах мониторинга применяют два основных способа: размещение
на МО специальных устройств, определяющих собственные координаты
(спутниковые системы позиционирования), или размещение на МО уст-
ройств, позволяющих определить его координаты извне (системы навига-
ции с применением радиолокационных методов). Методы радиолокации
достаточно широко известны, и поэтому остановимся кратко только на пер-
вом. Наиболее широко распространенными спутниковыми системами по-
зиционирования являются системы GPS и «Глонасс».
Глобальная навигационная система GPS (Global Positioning System), из-
вестная также как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging — На-
вигационная система определения времени и дальности), предназначена
для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно при-
ниматься во всех регионах мира. Система была разработана по заказу Ми-
нистерства обороны США.
617
Телеметрия в теории и на практике
Российская спутниковая навигационная система (СНС) аналогичного на-
значения, известная под названием «Глонасс» (Глобальная навигационная
спутниковая система), разрабатывалась по заказу Министерства обороны
России, но сейчас применяется для предоставления навигационных услуг
различным категориям потребителей без каких-либо ограничений.
Системы GPS и «Глонасс» имеют сходную архитектуру.
В очень скором будущем приемники СР5/«Глонасс» станут стандартным
оборудованием автомобилей. Некоторые базовые системы, как, например,
вызов техпомощи и полиции на место аварии, уже начали внедряться (во-
дитель нажал кнопку — GPS-приемник определил координаты и передал
их вместе с сигналом вызова на диспетчерский центр — и выездная бригада
уже знает, куда ехать). Внедряются также и другие системы, которые отоб-
ражают на экране ваше положение и помогают прокладывать маршрут че-
рез лабиринты улиц и дорог. Для контроля передвижения спецавтомобилей
(например, инкассаторских) и для борьбы с угонами начали использовать-
ся системы, постоянно отслеживающие положение движущегося объекта
на карте местности. На практике обычные GPS-приемники обеспечивают
точность от 20 до 70 м.
10.1.3.	Система связи (каналы обмена данными с
мобильными объектами)
Системы на базе геостационарных спутников
Основная масса систем контроля дальних перевозок основана на этом
типе спутников — система Inmarsat, системы OmniTracs и EutelTracs, сис-
тема Prodat. В нашей стране реально представлены системы Inmarsat и
EutelTracs.
Система Inmarsat создана в 1979 г. и объединяет около 80 стран, использу-
ющих спутники и наземные станции системы. Система Inmarsat, базируясь
на геостацинарных спутниках, обеспечивает передачу информации на всей
территории земного шара, за исключением приполярных областей. Время
доставки информации в системе — от 5-7 мин. до 15 мин., в зависимости от
организации диспетчерского пункта. Для контроля дальних перевозок та-
кие сроки доставки информации вполне приемлемы и период обновления
информации о состоянии объекта обычно выбирается 1 час.
Система EutelTracs была реализована в 1992 г. и по всему миру имеет боль-
шое количество эксплуатируемых мобильных терминалов. Так, только в
618
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
России зарегистрировано более 300 терминалов. С точки зрения потреби-
теля эта система имеет схожие характеристики с характеристиками ком-
понентов системы Inmarsat. Системы используют различные частотные
диапазоны, но их функиональные возможности и состав мобильных терми-
налов практически одинаковы. Мобильный терминал в системе EutelTracs
имеет размеры, в 2-3 раза превышающие размеры терминала Inmarsat, но
для установки на грузовые машины это не является препятствием. На се-
годняшний день система работает только до долготы Омска и не покрывает
«правой половины» нашей территории.
Отличие в системе оплаты трафика в системах Inmarsat и EutelTracs в том,
что в Inmarsat оплачивается только фактически переданная информация, а
в EutelTracs присутствует обязательная абонентская плата за фиксирован-
ный объем информации. При редком обмене информацией в системе вы-
годнее оплата трафика в Inmarsat, при насыщенном — в EutelTracs.
Системы на базе низкоорбитальных спутников
Нельзя отнести данные системы к системам, в которых можно получить
полноценную услугу. Какие-то еще в проекте, какие-то функционируют
частично, но то, что они будут развернуты в конкретные сроки, сомнений
не вызывает.
На сегодня несколько проектов вышло на финишную прямую. Запущены
спутники, развернуто наземное оборудование, выпускаются спутнико-
вые терминалы. Практически в полном объеме уже функционирует сис-
тема Iridium. Близка к завершению система ORBCOMM, наиболее ори-
ентированная на передачу телеметрической информации. К сожалению,
ORBCOMM на сегодня не имеет лицензии для работы на территории Рос-
сии. Основное отличие данных систем от рассматриваемых выше состо-
ит в том, что их орбитальные группировки состоят из низкоорбитальных
спутников с небольшой высотой орбиты (меньше тысячи километров). Для
потребителя это означает, что спутниковые терминалы будут иметь малые
размеры и невысокие цены.
Система Iridium имеет глобальную зону покрытия за счет большого коли-
чества (66) космических аппаратов. Система предполагает большой пере-
чень услуг: телефонная связь, передача алфавитно-цифровых сообщений на
пейджер Iridium, переадресация вызова, конференц-связь, передача факси-
мильных сообщений, голосовая почта, передача данных со скоростью 2400
бит/с и др. Стоимость спутникового терминала — на уровне $2000, тарифы
в системе ниже нынешних тарифов международной телефонной связи.
Система ORBCOMM предназначается для автоматизированного сбора ин-
619
Телеметрия в теории и на практике
формации о состоянии объектов, предоставления услуг электронной почты,
решения навигационных задач. Система уже эксплуатируется, хотя в ней
присутствуют «временные провалы». Уже имеются в продаже терминалы
GSC 100 (Magellan) стоимостью около тысячи долларов. Недорогие и ком-
пактные терминалы ORBCOMM планируется использовать для контроля
состояния нефтепроводов и других подобных объектов.
Конечно, надо представлять, что за низкоорбитальными спутниковыми сис-
темами большое будущее, но, пока они выйдут на эксплуатационный уро-
вень Inmarsat, EutelTracks, пройдет несколько лет. Да и геостационарные
системы постараются встретить «низколетов» новыми функциональными
возможностями и снижением расценок.
Системы на базе транкинговой связи
Для потребителя принципиально понимать, что транкинговые системы
могут покрывать значительные площади, позволяя осуществлять «авторо-
уминг» и «автопатчинг». В транкинговых системах за счет связи отдельных
ретрансляторов в единую логическую структуру потребитель избавляется
от необходимости заботиться о переключении радиочастотных каналов при
перемещении в рамках системы.
В мире и в России развернуты и эксплуатируются транкинговые системы
различных стандартов: SmarTrunk, MPT 1327, LTR, SmartZone, ED ACS и
др. He анализируя причин, отметим, что в нашей стране имеет смысл рас-
сматривать как базу для построения систем контроля мобильных объектов
системы стандартов МРТ 1327, LTR.
МРТ 1327 — многие фирмы, западные и отечественные, предлагают в рам-
ках стандарта МРТ 1327 систему связи с использованием SDM (Short Data
Message — служба коротких цифровых посылок). При этом нет явного кон-
фликта между передачей навигационной информации и голосовых сообще-
ний, уменьшается время передачи единичной посылки цифровой информа-
ции до долей секунды (если передавать по голосовому каналу, то это время
может быть 2-4 секунды). Но следует также понять, что управляющий ка-
нал нельзя перегружать и, следовательно, систему связи с большим коли-
чеством объектов построить на этом принципе нельзя.
LTR — в системах на базе LTR передача данных идет по голосовому каналу,
так как выделенного управляющего канала в системе нет. Но за счет более
высоких скоростных характеристик, по сравнению с системами стандарта
МРТ 1327, создание AVLS на базе LTR имеет неплохие перспективы.
620
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Системы на базе КВ-связи
Очень много факторов влияет на качество КВ-связи. Но сочетание доста-
точного количества резервных радиочастот и современных технологий поз-
воляет осуществлять передачу данных по KB-каналу с высокой степенью
надежности и с достаточно высокой скоростью.
Наиболее интересны в этом направлении разработки австралийских фирм
Coden и Barrett. Радиостанции этих фирм имеют встроенный механизм ав-
томатического поиска канала связи, обеспечивающий решение задачи на-
хождения канала наилучшего прохождения сигнала в течение всего сеанса
связи. Для передачи цифровой информации предусмотрен встроенный мо-
дем со скоростью до 2400 бит/с. При невозможности связаться диспетчеру с
объектом слежения напрямую автоматически ищутся варианты связи через
другие транспортные средства системы.
Множество имеющихся каналов передачи данных позволяет выбрать опти-
мальный вариант или вообще в некоторых случаях отказаться от передачи.
К примеру, закончив поездку, водитель предъявляет специальное устройс-
тво для считывания из него в компьютер всей накопленной за рейс инфор-
мации.
Системы на базе сотовой связи (GSM)
В последнее время для систем мониторинга локального покрытия большую
популярность стали приобретать системы сотовой связи (GSM) и по голо-
совому каналу, и по каналу передачи коротких SMS-сообщений [1].
Использование технологий GSM для организации телематических услуг
операторы прорабатывают давно. Оказалось, что с коммерческой точки
зрения наиболее перспективна организация транспортных диспетчерских
служб, основанных на сочетании технологий глобального спутникового по-
зиционирования GPS/«DioHacc» и передачи навигационной и управляю-
щей информации через сети мобильной связи GSM.
По типу подключения диспетчерских рабочих мест к сети мобильной связи
GSM все ССМО делятся на два больших класса:
•	Выделенные системы (например, система «Поиск-2», системы типа
Track Master и т. п.).
•	Интернет-системы (например, «Локатор» компании Race
Communications, «Циклон» и т. п.).
При покупке выделенной системы оператор становится полным владель-
621
Телеметрия в теории и на практике
ао»омо(м1ль
CGPS/GSM
сервер «ом|роллсрон
CHC1CMU
Рис. 10.1. ССМО как выделенная система
цем всего программно-аппаратного комплекса. Как правило, при этом он
устанавливает у себя в диспетчерском центре несколько компьютеров (воз-
можно, сервер). С этого момента он платит только за канал связи, как за
использование обычного телефона.
В случае работы с интернет-системами оператор, как правило, подписыва-
ется на услугу доступа к данным. Провайдер этой услуги назначает ежеме-
сячную абонентскую плату за доступ к его серверу и плату за некоторые
действия пользователя (запрос местоположения аппарата). Помимо этого,
провайдер может потребовать плату за подключение к услуге (однократ-
ную), в которую часто входит стоимость оборудования. Некоторые провай-
деры услуг интернет-слежения допускают подключение только приобре-
тенного у них оборудования [1].
Интернет-системы позволяют пользователю получить доступ к данным с
любого компьютера, имеющего выход в Интернет. Выделенные системы не-
сколько более ограниченны в этом плане, так как на компьютер требуется
установить специальное программное обеспечение. Впрочем, современные
интернет-системы также довольно требовательны к мощности компьютера
пользователя и к типу установленного браузера (для которого, как правило,
требуется еще и поддержка Java).
622
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Рис. 10.2. ССМО как интернет-система
Все данные, поступающие в выделенную систему, хранятся в диспетчерском
центре. Никто посторонний не сможет получить к ним доступ (его можно
получить, только взломав локальную сеть компании и базу данных, если
это вообще физически будет возможно). Интернет-системы хранят данные
всех клиентов на собственной системе серверов. Конечно, они хорошо за-
щищены от хакерской атаки, но если кто-либо узнает пароль и логин опе-
ратора, он получит доступ ко всем данным. К несомненным достоинствам
интернет-систем относится то, что всю заботу по сохранности базы данных
берет на себя провайдер [1].
Системы на базе сотовой связи пока в России представлены не так глобаль-
но, как, например, в Западной Европе. Но все же во многих районах России
этот вариант успешно реализован. Для построения систем мониторинга в
сотовых сетях многие фирмы выпускают оборудование и предлагают за-
конченные системы.
Первая российская диспетчерская интернет-система WebLocator была
введена в коммерческую эксплуатацию компанией «Мегафон-Москва»
в содружестве с системным интегратором Race Communications. Система
позволяет просматривать маршруты движения автомобилей на экране ком-
пьютера, определять текущее местонахождение транспорта и управлять им.
623
Телеметрия в теории и на практике
Кроме того, можно вести учет и получать статистику параметров подвиж-
ных объектов, что повышает безопасность и скорость перевозок.
Бортовой компьютер системы, расположенный на транспортном средстве,
определяет свои координаты при помощи глобальной спутниковой систе-
мы позиционирования GPS и обрабатывает показатели состояния подклю-
ченных к нему датчиков. Вся полученная информация через каналы GSM
отправляется в информационный центр для последующей обработки и по-
зиционирования объектов на электронной карте. В результате вся необхо-
димая пользователю информация становится доступной через интерфейс
Web-сайта системы.
По расчетам разработчиков, использование системы оправданно, если фир-
ма эксплуатирует более трех автомобилей, а объем ее ежемесячных грузопе-
ревозок превышает 5 тыс. долл. По опыту использования подобных систем
в других странах, «пустой» пробег машин сокращается на 15-20%, а уро-
вень дисциплинированности водителей существенно повышается.
В свою очередь, «ВымпелКом» и компания Nexo, предоставляющие услуги
в области телематики, заявили о совместном, проекте по выводу на россий-
ский рынок решения AutoConnex. «Мегафон» и «ВымпелКом» обещают
провести дальнейшие усовершенствования системы при переходе на транс-
портную среду GPRS. Это позволит проводить мониторинг транспортных
средств и подвижных объектов в режиме реального времени.
МТС развивает собственный проект диспетчеризации транспортных
средств. С этой целью около года назад была создана дочерняя компания
«Мобильные телематические системы позиционирования». В 2002 г. были
запущены первые пилотные проекты. Один из них выполнен для небольшой
транспортной фирмы и действует в пределах автотрассы Москва — Санкт-
Петербург. Второй проект (МТС-П) реализован на базе Зеленоградского
автобусного парка. Однако о полноценном запуске услуги в коммерческую
эксплуатацию пока объявлено не было.
10.1.4.	Система обработки, хранения и анализа поступаю-
щей ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ (ДИСПЕТЧЕРСКИЙ ПУНКТ)
Основные функции диспетчерского пункта [1]:
•	Получать через программы — терминалы устройств связи — и архи-
вировать в базе данных информацию от мобильных объектов.
•	Отображать на масштабируемой карте географическое местополо-
жение (адрес), направление, скорость движения мобильных объек-
624
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
тов и их состояние на основании информации от датчиков.
•	Увеличивать или уменьшать масштаб карты, смещать ее в произ-
вольном направлении и центрировать в нужной точке.
•	Изменять свойства отображения карты, при этом предоставляется
возможность:
-	определить цвет нанесения элементов слоя;
-	установить признак отображения надписей данного слоя на
карте;
-	установить значения нижнего и верхнего предела масштаба, в
рамках которого данный слой будет отображаться на карте при
изменении масштаба просмотра.
•	Определять названия географического объекта (улицы, станции
метро, железнодорожной станции и т. п.) по карте.
•	Осуществлять поиск географического объекта (улицы, станции
метро, железнодорожной станции и т. п.) по названию.
•	Осуществлять автоматический поиск и отображение мобильного объ-
екта, исчезнувшего из поля зрения диспетчера, по номеру или коду.
•	Осуществлять слежение за выбранным мобильным объектом либо
группой мобильных объектов.
•	Отображать географические координаты, курс, скорость, состояние
мобильного объекта в текстовом виде.
•	Записывать параметры движения мобильных объектов с возмож-
ностью их последующего анализа и воспроизведения («проигрыва-
ние» архива).
•	Отображать «след» (трассу) движения мобильного объекта на карте.
•	Запрашивать местоположение и состояние датчиков мобильных
объектов по системе связи.
•	Получать, просматривать и заносить в архив изображения, переда-
ваемые с мобильных объектов.
•	Контролировать датчики, установленные на мобильных объектах
(на дверях, в кабине водителя, «Тревожную кнопку» и т. д.), и дис-
танционно изменять параметры их работы.
•	Осуществлять защиту от несанкционированного доступа к переда-
ваемым данным.
625
Телеметрия в теории и на практике
•	Выводить на печатающее устройство текущее изображение основ-
ного окна карты.
•	Контролировать вход, выход и нахождение мобильныхобъектов на
маршруте и внутри критических зон.
•	Решать ситуационные задачи на основе информации, поступающей
от датчиков мобильных объектов, выявлять внештатные ситуации.
•	Производить актуализацию информации о ситуации на городских
магистралях (закрытых для движения транспорта улицах, строи-
тельных и ремонтных работах, пробках, изменениях схем движе-
ния).
•	Вести журнал действий диспетчера.
10.2. ПРИМЕРЫ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА МОБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
10.2.1.	Диспетчерская система DAXON-DS
Диспетчерская система радиосвязи на основе программно-аппаратного
комплекса DAXON-DS не является специализированной навигационной
системой. Отличительной чертой диспетчерской системы радиосвязи на
основе программно-аппаратного комплекса DAXON-DS является комплек-
сное решение задачи по:
•	контролю и управлению подвижными объектами;
•	защите переговоров от прослушивания (аналого-цифровое или
цифровое маскирование);
•	контролю за состоянием различных удаленных объектов;
•	ограничению доступа абонентов к радиоканалу ретранслятора;
•	определению местоположения мобильных абонентов (для радио-
станций профессиональной серии Motorola).
В основе работы DAXON-DS лежит уникальный цифровой сигналинг
DS-1200, реализованный в модулях и устройствах DAXON для организа-
ции персонального вызова. Сигналинг DS-1200 позволяет объединить в
единую систему связи различные типы радиостанций как Motorola, так и
других фирм-производителей.
626
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Базовые функции диспетчерской системы:
•	Мониторинг эфира с отображением на экране монитора компьютера
даты, времени, номера абонента, вышедшего в эфир или пославшего
сигнал тревоги, а также всех запросов диспетчера и ответов абонент-
ских радиостанций.
•	Протоколирование (запись в архивный файл на жесткий диск) даты,
времени, номера абонента, вышедшего в эфир, а также всех запросов
диспетчера и ответов абонентских радиостанций.
•	Контроль абонента (радиостанция включена и находится в зоне
действия).
•	Блокирование абонента (дистанционный вывод из строя модуля
DAXON).
•	Индивидуальный вызов абонента.
•	Определение местоположения абонента (для радиостанций, обору-
дованных дополнительными устройствами с GPS-приемником).
•	Ведение переговоров в закрытом (аналого-цифровое или цифровое
маскирование речи) и открытом режимах.
•	Ограничение доступа абонентов к ретранслятору с помощью конт-
роллера DAXON550.
•	Постановка абонента на прослушивание.
•	Передача абонентом сигнала тревоги.
Дополнительные функции диспетчерской системы:
•	Передача цифровых (статусных) сообщений.
•	Групповой вызов абонентов.
•	Перекодировка речевого сигнала (при аналого-цифровом маскиро-
вании) в ретрансляторе с помощью контроллера DAXON550.
•	Контроль состояния удаленных объектов с помощью контроллера
DAXON550.
Программно-аппаратный комплекс диспетчерской системы DAXON-DS:
•	Персональный компьютер с диспетчерской программой DSS.
•	Радиостанция МоТого1аСМсконтроллером-маскираторомПАХ(Ж540
или DAXON640 (в зависимости от типа маскирования речи).
627
Телеметрия в теории и на практике
Диспетчерская система
DAXON-DS
с использованием
сигналинга DS-1200
Программно-аппаратный
комплекс DAXON-DS:
- РС с программой DSS
- р/ст GM с контроллером
DAXON540 (DAXON640)
Ретранслятор
С DAXON550
Абонентская
радиостанция
с DAXON-500
(DAXON-600)
и GPS-приемником
Абонентские
радиостанции
с DAXON-500
(DAXON-600)
Рис. 10.3. Диспетчерская система DAXON-DS
Системный контроллер предназначен для передачи служебной информа-
ции и ведения диспетчером переговоров в защищенном от прослушивания
режиме (аналого-цифровое маскирование DAXON540 или цифровое мас-
кирование DAXON640). Устанавливается внутри мобильной радиостанции
Motorola Professional Series GM. Подсоединяется к последовательному пор-
ту компьютера через кабель-переходник.
Контроллер ретранслятора DAXON 550 предназначен для ограничения до-
ступа абонентов к ретранслятору и осуществляет возможность посылки в
эфир сигналов о срабатывании 4-х различных датчиков, например о досту-
пе в помещение, вскрытии корпуса ретранслятора, нарушении температур-
ного режима, пропадании основного электропитания и т. д. Для дополни-
тельного закрытия радиоканала ретранслятора возможна перекодировка
речевого сигнала.
При подключении к стационарной радиостанции Моторола GM контрол-
лер DAXON 550 позволяет осуществлять контроль состояния удаленных
объектов.
628
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Типовая диспетчерская система радиосвязи DAXON-DS
Количество частотных каналов — 1.
Закрытие переговоров — аналого-цифровое маскирование (DAXON500).
Общее количество подвижных радиоабонентов — 50:100. Количество под-
вижных радиоабонентов, оборудованных GPS-приемниками, — 5:15. Дис-
петчерский пункт — 1.
Для диспетчерской программы DSS-2 требуется растровая электронная
карта местности, района (графический файл в формате bmp), которая пос-
тавляется в согласовании с заказчиком. Возможно использование вектор-
ной карты.
Кроме этого, возможности системы в перспективе будут еще шире — ис-
пользование цифровых модулей позволит посылать на диспетчерский
пульт, оборудованный компьютером, фотографии с места происшествия,
запрашивать и получать информацию из центральной Базы Данных и по-
сылать ответную информацию диспетчеру с персонального бортового ком-
пьютера, карманного ПК, PDA и т. п.
Рис. 10.4 Интерфейс программного обеспечения DS-1
629
Телеметрия в теории и на практике
10.2.2.	Мониторинг подвижных объектов на базе
радиосвязи и GPS-модемов KGP - 2A/KGP-2B
GPS-модемы KGP-2A (приемник) и KGP-2B (контроллер), представленные
на рис. 10.5, — это простой путь для построения системы автоматического
определения положения подвижных объектов с использованием систем ра-
диосвязи или просто радиостанций. Система автоматического определения
положения подвижных объектов может использоваться в такси, служеб-
, ном и грузовом автотранспорте. Также система дополнительно позволяет
осуществлять мониторинг датчиков подвижных объектов. Новые модемы
сделают контроль за автотранспортом простым и надежным, обладая сле-
дующими качествами:
•	Компактный дизайн.
•	Военный стандарт MIL-810 C/D/E.
•	Индикаторы режимов работы .
•	16 программируемых портов для подключения внешних датчиков.
•	FlashROM для обновления функциональных возможностей.
Контроллер KPG-2B производит циклический опрос каждого приемника
KPG-2A транспортного средства и получение от него данных местонахож-
дения и состояния датчиков.
Рис. 10.5. GPS-мадвмы KGP-2A (приемник) и KGP-2B (контроллер)
Связь модемов осуществляется по радиоканалу. Для организации радиока-
налов могут использоваться радиостанции Kenwood: ТК-760/ТК-860/ТК-
780/ТК-880. Эти же радиостанции могут использоваться в системе голосо-
вой радиосвязи. Таким образом, возможно оснащение GPS-модемами уже
находящихся в эксплуатации систем радиосвязи.
Для работы системы мониторинга может использоваться инфраструктура
транкинговых систем LTR, МРТ, Smartrunk II, что значительно может уве-
личить зону контроля.
630
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Рис. 10.6. Схема построения системы
10.2.3.	Система TrackMaster
Система TrackMaster позволяет обеспечить решение широкого круга задач [2]:
•	централизацию управления перевозками;
•	оптимизацию работы патрульных и спасательных служб;
•	получение информации о происходящем на мобильных объектах и
оперативное принятие решений;
•	осуществление централизованного оперативного сбора информа-
ции при помощи подвижных лабораторий на автомобилях, вертоле-
тах, самолетах и т. д.
Основными элементами системы являются:
•	мобильные объекты, оборудованные комплектами TrackMaster Саг
(TrackMaster Micro) и абонентским оборудованием систем связи;
•	системы передачи данных;
•	диспетчерский центр TrackCenter.
Устанавливаемый на объект комплект аппаратуры TrackMaster принимает
сигналы от навигационных спутников и вычисляет координаты объекта с
точностью до 10 метров.
Аппаратура TrackMaster передает местоположение объекта на диспетчерс-
кий центр с помощью различных видов систем связи:
•	транковые системы связи (EDACS, LTR, МРТ1327 и т.д.);
•	сотовые системы связи (GSM, NMT-450);
•	космические системы связи (INMARSAT, ORBCOMM, ГОНЕЦ).
631
Телеметрия в теории и на практике
Рис. 10.7. Функциональная схема системы TrackMaster
Диспетчер может контролировать положение всех объектов на электронной
карте программы TrackCenter, контролировать состояние датчиков, прини-
мать и передавать текстовые сообщения, передавать управляющие воздейс-
твия на объекты, например заблокировать дверь или двигатель [2].
Диспетчерская система TrackCenter
Диспетчерская система позволяет обеспечить централизованное управ-
ление перевозками и оптимизировать работу патрульных и спасательных
служб, получать информацию о происходящем на мобильных объектах и
оперативно принимать решения, производить поиск объектов по показа-
ниям их навигационных датчиков, осуществлять централизованный опера-
тивный сбор информации при помощи подвижных лабораторий на автомо-
билях, вертолетах, самолетах и т. д.
Отличительные преимущества:
•	Возможность одновременного использования нескольких раз-
личных систем связи.
•	Контроль большого количества объектов.
632
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
•	Неограниченная масштабируемость.
•	Использование технологий клиент/сервер и Интернет-интра-
нет.
Техническое построение системы
Программное обеспечение работает в среде Windows 95/98/NT. Это позво-
ляет оператору, эффективно используя преимущества многозадачного ре-
жима и многооконного интерфейса, видеть одновременно несколько райо-
нов карты в выделенных участках экрана (окнах). В каждом окне можно
устанавливать свой участок карты в нужном масштабе и наблюдать за дви-
жением группы объектов. При этом участок карты в каждом окне может
автоматически выделяться таким образом, чтобы все объекты группы ока-
зались в поле зрения оператора. Оператор может перемещать окна таким
образом, чтобы получилась наиболее удобная общая композиция экрана.
Архитектура программы — клиент/сервер для локальной сети. Это позво-
ляет использовать серверную программу для сбора данных о положении и
состоянии мобильных объектов от нескольких программ-клиентов, работа-
ющих на том же или других компьютерах локальной сети (под управлением
Microsoft Windows 95/98/NT, Microsoft Windows for Workgroups 3.11 и даже
Microsoft Network Client for DOS) с различными устройствами получения-
передачи данных. Рабочие места диспетчеров используют для получения
данных технологии локальной сети и Интернет-интранет [2].
Использование отдельных персональных компьютеров локальной ком-
пьютерной сети для работы с конкретными системами связи позволяет при
обеспечении надежности работы (получение данных осуществляется спе-
циализированной программой на выделенной ПЭВМ) объединить данные
от различных источников посредством сетевого взаимодействия. При этом
работа диспетчерской программы не зависит от количества и типов кана-
лов связи, так как взаимодействие связных программ с нею осуществляется
по единому стандартному сетевому протоколу в различных операционных
системах [2].
С устройствами различных систем связи взаимодействуют программы-
терминалы, работающие на разных компьютерах локальной сети. Главный
модуль системы TrackCenter получает и передает информацию с помощью
этих терминалов, общаясь с ними по единому сетевому протоколу.
Добавление новой системы связи сводится к написанию небольшого драй-
вера.
Информация о мобильных объектах (координаты, показания датчиков,
633
Телеметрия в теории и на практике
сигналы тревоги, текстовые сообщения) передается на диспетчерские цент-
ры, где сохраняется для последующего анализа. Использование различных
вариантов визуализации этой информации позволяет строить различные
адаптированные к конкретным задачам системы поддержки принятия ре-
шения диспетчером.
В зависимости от объема информации TrackCenter использует для хране-
ния:
•	персональные реляционные базы данных — MS Access, dBase;
•	серверы баз данных — MS SQL Server, Oracle;
•	распределенные базы данных.
Для передачи информации система TrackCenter может одновременно ис-
пользовать несколько различных систем связи и несколько устройств од-
ной системы связи.
Подсистемы анализа позволяют отображать местоположение подвижных
объектов на электронной карте, выдавать сигналы и справочную информа-
цию диспетчеру в случае каких-либо происшествий, передавать текстовые
сообщения и оказывать активные воздействия на объекты (блокировка две-
рей и двигателя).
Данные, собираемые системой TrackCenter, можно использовать различ-
ным образом: отображать местоположение объектов на электронной карте,
вести табличный учет состояния объектов, подсчитывать статистику (прой-
денный путь, время стоянок и т. п.). При этом в локальной сети организации
могут одновременно работать нисколько различных программ просмотра и
анализа данных.
При необходимости использования специфических методов обработки
данных они могут быть реализованы в виде дополнительного модуля про-
смотра и анализа базы данных.
Картографический материал хранится в стандартном векторном или растро-
вом формате ГИС, что обеспечивает оперативное внесение любых необходи-
мых изменений в карту и идентификацию отдельных ее элементов. Карто-
графическая база данных системы работает с открытыми форматами [2]:
•	ГИС «Панорама» (SXF);
•	ГИС ArcView;
•	ГИС Arcinfo;
•	привязанный растр (форматы TIFF, BMP).
634
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
При необходимости возможно изготовление картографического материала
в нужных форматах и картографических проекциях согласно пожеланиям
заказчика.
Основные характеристики диспетчерского пункта:
•	максимальное количество отслеживаемых потребителей - 50000;
•	точность определения координат — менее 100 м;
•	точность определения скорости — 10 см/с;
•	точность привязки шкалы времени — 1 мкс;
На начальном этапе развертывания диспетчерский центр может функцио-
нировать на одном компьютере, используя одну систему связи.
Состав бортовой аппаратуры. Бортовая аппаратура TrackMaster Micro со-
стоит из следующих элементов и узлов:
•	управляющий модуль, выполненный с использованием 8-разрядно-
го высокопроизводительного микроконтроллера;
•	GPS-датчик Yupiter (12 параллельных каналов слежения за нави-
гационными спутниками) или J8 (8-канальный OEM-модуль) в
комплекте с малогабаритной спутниковой антенной, 12-канальный
ГЛОНАСС+GPS датчик (TrackMaster Micro Pro);
•	интерфейсный нуль-модемный кабель;
•	кабель питания от бортовой сети автомобиля;
•	набор датчиков (контактных: вскрытия дверей объекта, несанкци-
онированного включения двигателя, кнопка «ТРЕВОГА» и др., из-
мерителей аналоговых параметров: температуры, уровня шумов и
ДР)-
Предусмотрены следующие два режима функционирования БАКУ:
•	автономный;
•	в составе системы диспетчеризации или мониторинга МО.
В автономном режиме БАКУ решает следующие задачи:
•	непрерывный контроль за состоянием установленных на МО датчи-
ков и управление режимами их работы;
•	обработка информации от датчиков и запись её в специальном фор-
мате в БЗУ;
635
Телеметрия в теории и на практике
•	обеспечение считывания содержимого БЗУ через внешний интер-
фейс RS-232 во внешний накопитель (например, ноутбук);
•	выдача управляющих воздействий на внешние исполнительные ус-
тройства (сирена, иммобилайзер, блокировочные замки и т. д.).
В случае использования БАКУ в составе системы диспетчеризации или мо-
ниторинга МО на борту предусмотрена дополнительная установка связно-
го оборудования для решения задач:
•	передачи информации о состоянии объектов в ДЦ;
•	приёма управляющих информационных посылок из ДЦ.
Режимы функционирования БАКУ гибко настраиваются в зависимости от
характера стоящих перед пользователем задач. Процесс настройки состоит
в программировании через последовательный интерфейс RS-232 внутрен-
них регистров БАКУ. В составе и назначении этих регистров рассмотрены
сбор и обработка данных от датчиков, их упаковка в специальный формат
и выдача в согласованном протоколе (X 25, RDI, МРТ1327, GSM, INMAR-
SAT С, MINI М) в канал связи.
Технические характеристики:
•	габариты основного модуля (без датчиков) 100x70x30 мм
(100x180x30мм ГЛОНАСС+GPS);
•	масса не более 0,5 кг;
•	рабочие температуры -40...+70°С;
•	напряжение питания постоянного тока 9—15 В;
•	потребляемый ток в ждущем режиме 100 мкА максимальный — 250 мА;
•	количество аналоговых входов — 4 (0—16 В);
•	количество дискретных входов с оптической развязкой — 4;
•	программируемые входы/выходы КМОП линии — 2 (1м=10тА);
•	выходы на исполнительные устройства - 2 (1нагр=500тА);
•	точность измерения координат - 10/7 м, скорости - 0,1 /0.05м/с с
вероятностью 0,95 (GPS/(«EnoHacc»+GPS));
•	время получения первых навигационных данных после включения
GPS-датчика < 1 мин;
•	объем БЗУ до 1 Мб (не менее 16000 маршрутных точек);
•	точность измерения аналоговых параметров определяется типом и
636
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
характеристиками используемых датчиков (по выбору заказчика);
• максимальное удаление контролируемого мобильного объекта от
диспетчерского центра определяется типом и характеристиками ис-
пользуемых средств связи (требование к средствам связи — наличие
возможности передачи цифровых данных через интерфейс RS-232).
10.2.4.	Система мониторинга автотранспорта G4echo
Система мониторинга автотранспорта G4echo предназначена для фискаль-
ного контроля движения автомобильного транспорта с использованием
GPS-технологии в режиме off-line.
Каждое транспортное средство в этой системе оборудуется специальным
модулем, в состав которого входит:
•	GPS-приемник,
•	модуль дистанционной передачи данных Wi-Fi,
•	специальный контроллер,
•	антенна.
Модуль G4echo монтируется в кабине автомобиля и представлен на рис. 10.8:
Рис. 10.8. Автомобильный модуль G4echo
Этот модуль регистрирует и хранит информацию о перемещениях транс-
портного средства, на котором он установлен, в течение длительного вре-
мени. В любой момент, когда транспортное средство прибывает к месту
стоянки, информация автоматически считывается без ведома водителя в
базу данных. Считывание информации осуществляется по радиоканалу
по технологии Wi-Fi (использование этой технологии не требует никаких
разрешений и лицензий) с помощью базового модуля. Базовый модуль мо-
жет располагаться вне помещения во влагозащищенном корпусе так, чтобы
в зоне его видимости находилась вся территория автопарка. Если одного
637
Телеметрия в теории и на практике
модуля недостаточно, то количество их может быть увеличено так, чтобы
обеспечить покрытие всей территории автопарка. Зона действия базового
модуля составляет 360’ в радиусе 100 м.
Все базовые модули подключаются к любому компьютеру локальной вы-
числительной сети предприятия и передают считанную с автомобильных
модулей информацию в единую базу данных системы G4echo (технология
SQL-сервер). В дальнейшем любая информация из базы данных становится
доступной для анализа и получения различных отчетов.
Некоторые из них приведены ниже.
Отчёт «Путевой лист (Детальный)» позволяет проводить первичный ана-
лиз выполнения водителем транспортного задания (рис. 10.9).
Форма отчета специально приближена к виду применяемых в настоящее
время на предприятиях отчетов на бумажных носителях, заполняемых во-
дителями от руки. Простое сравнение отчетов водителя и отчета системы
G4echo позволяет определить, выполнено ли задание, в какое время оно вы-
полнено и с каким пробегом.
Рис. 10.9. Путевой лист (Детальный)
638
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Рис. 10.10. Интерфейс детального отчета
Отчёт «Детальный по каждому водителю/машине» позволяет узнать: где,
когда и как долго водитель (автомобиль) находился в определённом месте;
сколько пройдено километров; по какому маршруту автомобиль двигался;
где, когда и в каком месте срабатывали подключенные к системе датчики.
Отчёт оформлен в виде таблицы и географической карты. Каждая останов-
ка в таблице связывается с именем реального объекта, внутри которого она
была. Пользователь имеет возможность создавать базу пользовательских
объектов самостоятельно.
Отчёт «Общий по каждому водителю/машине» позволяет увидеть резуль-
тат работы водителя (автомобиля) за интересующий период времени: сум-
марный пробег, время в пути, время простоя, максимальную скорость и др.
Отчёт «Общий по группе водителей/машин». Данный тип отчётов позво-
ляет увидеть результат работы группы водителей (автомобилей) за интере-
сующий период времени: суммарный пробег, максимальную скорость, сред-
нюю скорость, отношение времени стоянки к времени простоя и т. д.
Отчёт «Объекты» позволяет определить, кто из водителей (машин) нахо-
дился на интересующем объекте в интересующий период времени.
Формы отчётов можно видоизменять по требованию.
Итак, «Система мониторинга автотранспорта G4echo> дает уникальную
639
Телеметрия в теории и на практике
возможность фискального контроля за транспортным хозяйством. Позво-
ляет эффективно бороться со всевозможными злоупотреблениями («ле-
вые» рейсы, приписки по пробегу), отслеживать технологическую дисцип-
лину, сократить затраты.
10.2.5.	Интернет-система диспетчеризации WebLocator
WebLocator — интернет-система диспетчеризации транспорта, исполь-
зующая ресурсы сетей сотовой связи и GPS. В системе на современном
уровне решены вопросы разделения прав доступа и информационной
безопасности, используются последние достижения в области связи, ре-
ализуются передовые подходы в области управления транспортом (Fleet
Management) [4].
Схема функционирования
Схема функционирования приведена на рис. 10.11 и осуществляет следую-
щие функции.
•	Определение координат и состояния бортовых датчиков
Расположенный на транспортном средстве бортовой комплект
(БК) определяет свои координаты при помощи глобальной
спутниковой системы позиционирования (GPS), а также обра-
батывает состояние подключенных к нему датчиков.
•	Отправка информации в Информационный центр по GSM-сети
Собранную информацию БК отправляет в Информационный
центр (ИЦ) посредством сотовой сети передачи данных (GSM).
•	Обработка и размещение информации на веб-сервере
WebLocator. В Информационном центре полученные данные
обрабатываются и размещаются на защищенном веб-сервере,
который доступен пользователям системы WebLocator через
Интернет [4].
Оборудование
В качестве бортовых комплектов может использоваться самое разнообраз-
ное оборудование. Гибкая архитектура ядра системы WebLocator позволяет
быстро адаптироваться под устройства различных производителей, сделав
возможным их подключение. Разработчики WebLocator ведут постоянную
640
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Система позиционирования
Рис. 10.11. Схема функционирования WebLocator
работу по интеграции в систему новых терминалов от ведущих производи-
телей. К системе могут быть подключены и протестированы линейки борто-
вых комплектов и мобильных терминалов производства компаний Benefon
Oyj (Финляндия) и Falcom (Германия) [4].
10.2.6.	Информационно-навигационная диспетчерская
система ИНС-КОНТРОЛЬ
Назначение
Система предназначена для управления мобильными объектами (транспор-
тными средствами) различных служб города, района, области и отдельных
транспортных предприятий [5].
Функции
•	Контроль местоположения транспортных средств (ТС) и других мо-
бильных объектов с диспетчерских пунктов (Д П) и пунктов контроля.
•	Централизованное управление ТС.
•	Ведение базы данных о местоположении ТС.
•	Анализ и статистическая обработка накопленных данных, форми-
рование отчетов.
21 Зак 861
641
Телеметрия в теории и на практике
Используемая аппаратура позволяет дополнительно реализовать следую-
щие функции:
•	Адресная двусторонняя голосовая связь между ТС и ДП.
•	Передача сигналов тревоги с ТС в чрезвычайных ситуациях.
•	Контроль технических характеристик ТС, перевозимого груза и ок-
ружающей среды.
Принцип действия
Принцип действия основан на определении местоположения объекта
(транспортного средства) по сигналам спутниковых навигационных систем
GPS и «Глонасс», передаче информации с помощью канала оперативной
связи на диспетчерский пункт и пункты контроля. Координаты местополо-
жения определяются навигационным приемником, входящим в состав на-
вигационно-связного контроллера, установленного на транспортном средс-
тве. С помощью программного обеспечения расположение транспортных
средств и контролируемые параметры отображаются на электронной карте
местности на экране диспетчерского компьютера [5].
Зона действия системы ограничена используемым каналом оперативной
связи. Как правило, канал оперативной связи — это УКВ-канал, предостав-
ленный данной службе или нескольким службам. Альтернативно или до-
полнительно может использоваться сотовый или спутниковый канал [5].
Программное обеспечение системы ИНС-Контроль
В рамках системы ИНС-Контроль программа ТТМар2 (рис. 10.14) выпол-
няется на компьютерах, установленных на диспетчерских пунктах и пунк-
тах контроля. Программа работает как в локальном, так и в сетевом вариан-
тах [5].
Таблица 10.1. Технические характеристики программного обеспечения
Операционная система	Windows 98/МЕ/2000/ХР
Сервер баз данных	InterBase v.6.5, Firebird 1.5.1
Тип используемых электронных карт	Mapinfo
642
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Основные функции
В качестве основных функций можно выделить следующие:
•	Прием информации о транспортных средствах (ТС) от навигацион-
ного контролера..
•	Отображение положения транспортных средств на мониторе рабо-
чего места диспетчера на электронной карте местности.
•	Индикация актуальности навигационных данных.
•	Быстрое определение местоположения ТС.
•	Автоматический опрос ТС.
•	Внеочередной опрос выбранного ТС.
•	Адресная голосовая связь на выделенном радиоканале с автомати-
ческим переключением каналов.
•	Масштабирование и сдвиг карты оператором.
•	Отрисовка треков движения ТС.
•	Режим слежения за выбранным ТС.
•	Запись информации о перемещении контролируемых ТС в базу
данных с возможностью последующего просмотра и анализа.
•	Формирование статистических отчетов о работе системы.
•	Доступ к базе данных из внешних пользовательских программ для
реализации специфических алгоритмов обработки.
•	Автоматическая очистка базы данных от устаревших данных.
10.2.7.	Диспетчерская система GPS-контроля
ГРУЗОПЕРЕВОЗОК НАУЦИЛУС
Корпоративная диспетчерская система НАУЦИЛУС с мониторингом мес-
тоположения транспортных средств на базе GPS создана для контроля ма-
невровых работ и повышения управляемости грузоперевозок ж/д транс-
портом, но может применяться и в сочетании с другими транспортными
643
Телеметрия в теории и на практике
средствами (большегрузными автомобилями, автобусами и т. п.) [6].
На транспортное средство устанавливается бортовой контроллер, определя-
ющий по GPS текущие географические координаты данного транспортного
средства. Эта информация, а также ряд других параметров по радиоканалу
передается в диспетчерский центр, где с помощью современной SCADA-
системы WIZCON осуществляется обработка, хранение, визуализация и
рассылка данных по Интернет/интранет авторизованным клиентам.
Информация дублируется памятью бортового контроллера, так что в слу-
чае обрыва связи с диспетчерской имеется возможность последующего
восстановления базы данных предыстории WIZCON. Контроллер имеет
встроенную поддержку системы ISaGRAF, что дает удобную возможность
перепрограммирования логики [6].
Система может использоваться для любых транспортных средств, на ко-
торых возможна установка бортовых контроллеров с автомобильными ра-
диостанциями (большегрузные автомобили, автобусы, железнодорожный
транспорт).
Система состоит из стационарного диспетчерского центра и бортовых ком-
плексов (рис. 10.12).
Диспетчерский центр включает [6]:
•	Базовую радиостанцию RP80 фирмы Vertex Standard.
•	Связной контроллер.
•	Базовый приемник DGPS.
•	Сервер со SCADA-системой Wizcon.
Бортовые комплексы содержат:
•	Бортовой контроллер СИКОН 167.К40 (включая GPS-приемник и
подсистему ввода-вывода).
•	Бортовую радиостанцию VX-2000 фирмы Vertex Standard.
На стороне бортовых комплексов система обеспечивает сбор данных о мес-
тоположении транспортных средств, их текущих эксплуатационных и иных
параметрах (расход топлива и т. п.), передачу их в диспетчерский центр с
одновременным накоплением данных в памяти бортовых контроллеров.
В случае потери связи с диспетчерским центром имеется возможность пе-
редачи всей или части этих данных в базу данных предыстории SCADA-
644
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
Рис. 10.12. Обобщенная схема диспетчеризации
системы WIZCON непосредственно из бортового контроллера. Встроенное
ПО бортового контроллера включает целевую задачу ISaGRAF, что обес-
печивает удобное программирование и при необходимости оперативную
перенастройку бортовых контроллеров на любом из 5 стандартных языков
технологического программирования МЭК 61131-3 или на языке потоко-
вых диаграмм [6].
В диспетчерском центре полученная через радиоканал Информация пере-
дается в SCAD А- систему Wizcon и обрабатывается в реальном времени.
Базовый приемник DGPS (Reference Station) DSR12RS, имеющий 12 GPS-
каналов, дает опорный сигнал, позволяющий получить точность определе-
ния местоположения бортовых комплексов до 3 м. Без него точность падает
до 15-20 м.
Полученные координаты дают возможность представить местоположение
транспортных средств (в данной системе их 12) на мнемосхемах с различ-
ным масштабом и детализацией. Система позволяет также рассчитать прой-
денный путь, скорость и другие параметры транспортного средства.
Все контролируемые параметры записываются в базу данных предыстории
системы Wizcon и могут сравниваться с текущими, причем этот оператив-
ный анализ сразу же визуализируется в виде трендов (графиков, диаграмм).
Критические значения каких-либо параметров, которые контролируются
645
Телеметрия в теории и на практике
системой Wizcon, вызывают автоматическую генерацию и архивацию тре-
вог/уведомлений, получение которых оператор должен подтвердить [6].
Любые элементы интерфейса оператора в Wizcon, такие как мнемосхемы,
тренды и тревоги, могут быть конвертированы в html-формат и переданы по
сети Интернет/интранет. Все изображения на этих страницах имеют век-
торное представление, поэтому передаются в виде компактных Java-аппле-
тов с последующим обновлением при изменении данных для анимации.
Авторизованные клиенты (руководители, бригадиры ремонтников и т. п.),
имея в качестве средства доступа к системе web-браузер, могут получить
через Интернет/интранет всю необходимую им информацию из системы,
подтвердить тревоги, а также осуществить передачу административных ко-
манд (менеджмент). При этом все действия ограничены правами парольно-
го доступа и могут осуществляться через брандмауэр [6].
10.2.8.	Спутниковый комплекс «Эшелон»
Спутниковый охранный комплекс «Эшелон» является высокотехноло-
гичной программно-аппаратной системой, построенной на основе беспро-
водной связи и технологии GPS. Комплекс предназначен для решения
широкого круга задач, связанных с дистанционным сбором и хранением
информации, поступающей от различных устройств и сенсоров, установ-
ленных на удаленных объектах, интерпретацией этой информации с после-
дующим принятием решений о воздействии на различные исполнительные
устройства, установленные на удаленных объектах [7].
Основным предназначением спутникового охранного комплекса «Эшелон»
является решение следующих задач:
1.	Защита транспортных средств от угона и несанкционированного
проникновения.
2.	Оперативный поиск и возврат транспортных средств в случае угона.
3.	Контроль за передвижением транспортных средств.
4.	Защита стационарных объектов от несанкционированного проник-
новения, пожара и других аварийных ситуаций.
5.	Дистанционный контроль состояния технических и инженерных
систем транспортных средств и стационарных объектов.
6.	Дистанционное управление техническими и инженерными систе-
646
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
мами транспортных средств и стационарных объектов.
7.	Логистика и управление парком коммерческих автомобилей и спе-
циальной техники при помощи корпоративной телематической сис-
темы, построенной на основе комплекса.
В состав комплекса «Эшелон» входит диспетчерский центр и бортовое обо-
рудование, устанавливаемое удаленно на транспортные средства или объ-
екты недвижимости.
Бортовой комплекс (БК) для мобильных объектов выпускается под маркой
«Эшелон-М» и построен на базе радионавигационного контроллера серии
101 — новой разработки, пришедшей на смену контроллерам серии 001. Он
предназначен для установки на транспортные средства (легковые и грузо-
вые автомобили, катера, яхты и суда) в качестве охранной сигнализации,
обеспечивающей предотвращение угонов или оперативный поиск и возврат
транспортного средства в случае, если угон произошел в результате разбой-
ного нападения [7].
Диспетчерский центр — структурное подразделение компании, отвечающее
за выполнение комплекса мероприятий по мониторингу объектов охраны
и взаимодействие с силовыми структурами. В реальности Диспетчерский
центр представляет собой несколько распределенных по территории сто-
лицы подразделений. Этим мы достигаем максимальной независимости от
форс-мажорных обстоятельств. Все подразделения Диспетчерского центра
имеют многоканальную систему связи, оборудованы устройствами беспере-
бойного питания, позволяющими работать автономно до 12 часов, а также
мощной системой безопасности. Весь комплекс рассчитан на круглосуточ-
ную работу со 100%-м дублированием информации каждого подразделения
в реальном масштабе времени.
Функциональные возможности спутникового охранного
комплекса «Эшелон»
Комплекс «Эшелон» обеспечивает:
•	Определение текущего местоположения транспортного средства и
его маршрута, мест и времени остановок и стоянок.
•	Получение исчерпывающей информации о состоянии транспортно-
го средства: его скорости, направлении движения, состоянии борто-
вых датчиков и БК.
•	Удаленное управление состоянием транспортного средства через ис-
полнительные устройства, расположенные на борту. В случае угона
647
Телеметрия в теории и на практике
или разбойного нападения предусмотрены алгоритмы локального
и удаленного (оператор в Диспетчерском центре) противодействия
угону.
•	Формирование отчетности за различные периоды времени о состо-
янии БК и транспортного средства, маршруте и графике движения,
местах и времени остановок и стоянок, состоянии датчиков и конту-
ров защиты БК.
Бортовой комплекс « Эшелон-М» обеспечивает водителю:
•	Функции и сервисные возможности обычной автомобильной сигна-
лизации высокого класса.
•	Возможность непосредственно с брелока управления БК подать
тревожный сигнал при необходимости оказания медицинской или
технической помощи, вызвать представителя страховой компании
или юриста на место ДТП.
В случае срабатывания одного из датчиков, нарушения контура защиты или
при изменении параметров системы в соответствии с установленным алго-
ритмом информация о событии направляется в Диспетчерский центр через
беспроводную сеть связи. С этого момента Диспетчерский Центр берет объ-
ект под постоянный контроль и проводит предписанные для сложившейся
ситуации мероприятия, вплоть до организации преследования и задержа-
ния транспортного средства.
Бортовой комплект обеспечивает распознавание и противодействие попыт-
кам угона с применением средств радиоэлектронной борьбы, не дожидаясь
команды из Диспетчерского центра. В случае, если канал связи БК «Эше-
лон-М» с Диспетчерским центром отсутствует или заблокирован, БК реа-
лизует собственные алгоритмы противодействия угону. Комплекс реализу-
ет алгоритмы распознавания угона с применением разбойного нападения.
Комплекс позволяет реализовывать любые пользовательские алгоритмы
работы, базируясь на комбинации следующих показателей и событий:
-	скорость автомобиля и факты ее превышения выше установленных
величин;
-	открытие дверей автомобиля и порядок их открытия;
-	географические координаты автомобиля, нахождение автомобиля в
определенной зоне/зонах и факты выхода из них, соответствие мар-
шруту и графику движения;
-	величина продольного ускорения автотранспортного средства;
648
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
-	величина поперечного ускорения автотранспортного средства;
-	величина угла поперечного крена;
-	информация от любых других датчиков, установленных в автомо-
биле.
БК в стандартном исполнении имеет 12 входов (4 АЦП и 8 входов типа «су-
хой контакт») и 4 силовых выхода для исполнительных устройств и блоки-
ровок.
Бортовой комплект «Эшелон-М» (БК) состоит из трех функциональных
блоков: блока GPS /Глонасс приемника, блока приемника/передатчика
беспроводной сети передачи данных и процессорного блока. Блок GPS
/«Глонасс» приемника принимает сигналы от спутников GPS (Global
Positioning System — Глобальная Система Позиционирования) или спут-
ников «Глонасс» и на их основе рассчитывает свои точные географические
координаты, высоту над уровнем моря, скорость и направлении движения.
Процессорный блок обрабатывает сигналы датчиков, подключенных к БК
(например, объемный датчик, датчик разбития стекла, датчик открытия
двери и пр.), и сигналы GPS /»Глонасс» приемника, формирует отчет о со-
стоянии транспортного средства и передает его на обработку блоку прием-
ника-передатчика беспроводной сети связи.
В отчете содержатся данные о географических координатах транспортного
средства, его высоте над уровнем моря, скорости и направления движения,
состоянии датчиков и БК (целостности корпуса и антенн, уровнях радио-
сигналов, наличии и режиме электропитания).
Блок обеспечивает распознавание и противодействие попыткам угона с
применением средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и может принимать
решение о противодействии угону без вмешательства оператора Диспет-
черского центра.
Блок обеспечивает распознавание угона с применением разбойного на-
падения и обеспечивает реализацию алгоритмов возврата транспортного
средства владельцу. Алгоритмы распознавания ситуации, реализуемые про-
цессорным блоком, Могут обновляться и модифицироваться из Диспетчер-
ского центра.
Вся передаваемая информация и каналы связи БК с Диспетчерским цент-
ром защищены современными средствами криптозащиты. Блок приемни-
ка-передатчика беспроводной сети связи обеспечивает прием и передачу
отчета о состоянии транспортного средства и БК в диспетчерский центр,
используя технологии GSM в режиме передачи данных, спутниковой связи
Inmarsat, Глобалстар, Иридиум, Турайя, УКВ- и KB-радиосвязи, транкинго-
649
Телеметрия в теории и на практике
вой связи МРТ1325, стандарт ТЕТРА и ТЕТРА-POL. Возможно одновре-
менное использование двух систем связи в одном БК.
Принцип работы спутникового охранного комплекса «Эшелон»
Принцип работы комплекса «Эшелон» удобно рассмотреть на примере ис-
пользования его в качестве спутниковой охранной сигнализации для транс-
портных средств. Бортовой комплект, установленный на транспортном
средстве, определяет свои географические координаты, скорость, направле-
ние движения и ряд других параметров при помощи глобальной спутни-
ковой системы позиционирования GPS, а также обрабатывает состояния
подключенных к нему датчиков.
СЕТЬ
ОПЕРАТОРА
БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ
СВЯЗИ
Диепе тмеоский иенто
Рис. 10.13. Общая схема работы спутникового охранного комплекса «Эшелон»
650
Глава 10. Применение телеметрии в транспортном мониторинге
В случае срабатывания одного из датчиков, нарушения контура защиты или
при изменении параметров системы в соответствии с установленным алго-
ритмом информация о событии направляется в Диспетчерский центр через
беспроводную сеть связи по защищенному каналу передачи данных. С это-
го момента Диспетчерский центр берет объект под постоянный контроль и
проводит предписанные для сложившейся ситуации мероприятия, вплоть
до организации преследования и задержания транспортного средства.
Бортовой комплект обеспечивает распознавание и противодействие попыт-
кам угона с применением средств радиоэлектронной борьбы, не дожидаясь
команды из Диспетчерского центра. Комплекс реализует алгоритмы рас-
познавания угона с применением разбойного нападения.
В комплексе «Эшелон» реализованы уникальные алгоритмы:
•	распознавания применения средств радиоэлектронной борьбы
(РЭБ);
•	распознавания угона в результате разбойного нападения;
•	работы в условиях отсутствия канала связи с Диспетчерским цент-
ром.
Бортовой комплект «Эшелон» имеет собственный процессорный блок, поз-
воляющий устройству противостоять угону с использованием средств ра-
диоэлектронной борьбы (РЭБ). Алгоритмы работы бортовых комплектов
и комплекса в целом динамически обновляются из Диспетчерского цент-
ра. Для разработки и обновления алгоритмов работы комплекса «Эшелон»
аналитиками компании постоянно проводятся детальные исследования ме-
тодов и технических средств, применяемых угонщиками.
Комплекс использует канал связи с транспортным средством на базе сле-
дующих технологий: GSM в режиме передачи данных, спутниковой связи
Inmarsat, Глобалстар, Иридиум, Турайя, УКВ- и KB-радиосвязи, транкин-
говой связи МРТ1325, стандарт ТЕТРА и ТЕТРА-POL. Возможно совмес-
тное использование двух модулей связи из перечисленных выше в любой
комбинации.
Для определения точного местоположения, скорости и направления движе-
ния комплекс использует следующие технологии: GPS, «Глонасс».
651
Телеметрия в теории и на практике
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 10
1.	http://gpsgsm.ru/texts.php?id=63
2.	Универсальная система мониторинга TrackMaster. www.
geo^spectrum.com
3.	ИНДЕЛ : Мониторинг автотранспорта, http://www.inclel.by/index.
html
4.	Что такое WebLocator? http://www.locator.ru/
5.	Информационно-навигацйонная диспетчерская система ИНС-
КОНТРОЛЬ. http://termoteh.ru/soft.gif
6.	Диспетчерская система GPS-мониторинга местоположения транс-
портных средств, www.nautsilus.ru/articles/applications/dispgps.htm
7.	Спутниковый охранный комплекс «Эшелон».
http://www.eshelon.ru/system-5.html
652
Глава 11.
Мониторинг окружающей
среды
Системы мониторинга окружающей среды представляют собой информа-
ционные системы о состоянии окружающей среды, объединяющие в себе
средства сбора первичной информации, в том числе автоматизированные, и
все стадии ее обработки до передачи информации потребителям.
Особенность применения средств телеизмерений в данцрй сфере состоит в
использовании телеметрических систем, сводящих воедино разрозненную
экологическую информацию и обеспечивающих информационную подде-
ржку всех уровней управления объективными и достоверными данными
для принятия оперативных управленческих решений и определения стра-
тегии природопользования.
11.1.	ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ БАЗ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА
Общими принципами организации систем мониторинга являются [1]:
•	создание постоянно действующей фиксированной на местности
сети опорных пунктов наблюдений (постов, полигонов, стационаров
и пр.) для ведения стандартного (согласованного) комплекса наблю-
дений;
654
Глава 11. Мониторинг окружающей среды
•	выполнение наблюдений по основным (приоритетным) и дополни-
тельным (связанным со спецификой выбросов и сбросов) спискам
контролируемых показателей;
•	обеспечение методического и метрологического единства инфор-
мации путем применения унифицированных методик, технических
средств и т. д., что является гарантией сопоставимости и кондицион-
ности получаемой информации.
Система мониторинга включает в себя [1]:
1.	Медицинский мониторинг.
2.	Мониторинг окружающей среды:
•	мониторинг атмосферного воздуха;
•	мониторинг гидросферы;
•	мониторинг земель (почв);
•	мониторинг общего содержания атмосферного озона;
•	сейсмический мониторинг;
•	мониторинг физических явлений (факторов);
•	радиационный мониторинг;
•	комплексный экологический мониторинг.
3.	Биологический мониторинг:
•	мониторинг растительности;
•	мониторинг животного мира.
4.	Импактный мониторинг:
•	мониторинг чрезвычайных ситуаций;
•	локальный мониторинг.
В свою очередь, некоторые виды мониторинга имеют свою внутреннюю
структуру, подразделяясь па подвиды. Это относится к следующим видам
мониторинга:
•	Мониторинг гидросферы, включающий в себя мониторинг поверх-
ностных вод и мониторинг подземных вод.
•	Мониторинг земель (почв), включающий в себя мониторинг земель-
ного фонда, агропочвенный мониторинг и мониторинг агротехно-
генно загрязненных почв.
655
Телеметрия в теории ила практике
•	Радиационный мониторинг, включающий в себя мониторинг радио-
активного загрязнения атмосферного воздуха, мониторинг радиоак-
тивного загрязнения поверхностных вод и подземных вод, монито-
ринг радиоактивного загрязнения почв, мониторинг радиоактивного
загрязнения объектов жилищно-коммунального хозяйства.
•	Мониторинг растительности, включающий в себя мониторинг лес-
ной растительности, мониторинг луговой растительности, монито-
ринг водной растительности, мониторинг растительности специаль-
ных защитных насаждений.
Функции информационно-аналитического центра, входящего в состав систе-
мы мониторинга, можно выделить в три взаимосвязанные подсистемы [1]:
•	Анализ и подготовка получаемых данных к включению в состав ин-
формационной базы, задачи которой — проверка полноты и досто-
верности информации, ее предварительная обработка и занесение па
магнитные носители.
•	Ведение информационной базы, то есть накопление, учет, обработ-
ка, обеспечение сохранности обработанной и достоверной информа-
ции.
•	Доведение информации до потребителя, то есть прием и обработка
поступающих запросов пользователей, поиск, выборка и обобщение
данных согласно запросам, выдача информации пользователям в
удобном для них виде.
В содержание логической структуры базы данных каждого вида монито-
ринга заложены следующие основные принципы ее построения [1]:
•	отражение реально сложившейся зависимости объектов, их показа-
телей и характеристик;
•	обеспечение возможности быстрого поиска показателей по задан-
ным объектам в различных разрезах;
•	хранение информации в стандартизированных форматах, что обес-
печивает возможность оперативной обработки информации и рас-
печатки выходных форм в необходимом для анализа виде;
•	обеспечение минимальной избыточности информации, хранимой в
базе данных, и исключение дублирования показателей;
•	возможность расширения базы данных,
Формирование информационной базы мониторинговых данных происхо-
дит при соблюдении следующих требований fl]:
656
Г лава 11. Мониторинг окружающей среды
•	распределение и хранение информации по утвержденным формам;
•	унификация технических средств и программных продуктов, ис-
пользуемых при ведении баз данных;
•	хранение информации, поступающей из нижних информационных
уровней системы мониторинга, в первичном и обобщенном виде;
•	обеспечение хранения и выдача запрашиваемой информации как в
виде таблиц, графиков, диаграмм, так и в виде картографического
материала.
11.2. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ГРАДИЕНТНАЯ СИСТЕМА СБОРА
ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Вертикальная градиентная система сбора геофизической информации
предназначена для геоэкологического мониторинга леса, а также для полу-
чения телеметрических данных об изменении геофизических параметров
по вертикали и во времени в отдельной географической точке исследуемой
местности [2].
Для исследования и контроля тепло-влажностного баланса леса была раз-
работана и изготовлена вертикальная градиентная система сбора геофизи-
ческой информации. Система устанавливается в Карадагском природном
заповеднике на время проведения научных исследований Таврического
Национального университета им. В. И. Вернадского. На территории Евро-
пы имеется только одна аналогичная система, расположенная в Германии.
Отличительные особенности нашей системы сбора геофизической инфор-
мации:
•	возможность установки в «сложной» горной местности без специа-
лизированных подъемных средств (в том числе, на горных склонах,
покрытых густым лесом);
•	автоматизация съема данных с датчиков;
•	уменьшенное энергопотребление;
•	увеличенная помехоустойчивость (с возможностью периодического
отключения электроэнергии или снижения напряжения питания на
20% без сбоя в функционировании системы и без потери получен-
ных данных);
•	повышенная мобильность;
657
Телеметрия в теории и на практике
•	малое число обслуживающего персонала;
♦	низкая себестоимость [2].
Вертикальная градиентная система сбора геофизической информации,
показанная на рис. 11.1, состоит из:
•	двадцатиметровой, телескопической, металлической измеритель-
ной мачты с десятью равноотстоящими уровнями для расположения
геофизических датчиков;
♦	двенадцати микропроцессорных геофизических станций, располо-
женных на измерительной мачте и вблизи нее;
♦	базового микропроцессорного блока для обеспечения питания гео-
физических станций и сбора информации, поступающей с них;
•	персонального компьютера для динамического отображения, пер-
вичной калибровки и хранения информации, полученной от базово-
го микропроцессорного блока.
Рис. 11.1. Вертикальная градиентная система сбора геофизической информации
Отдельная геофизическая станция включает в себя:
1.	Набор датчиков геофизических величин (скорости ветра, температуры,
влажности, отраженной и падающей солнечной радиации, радиационного
баланса).
2.	Микропроцессорный измерительный блок, получающий аналоговую ин-
формацию с датчиков, оцифровывающий ее и передающий данные через
658
Глава 11. Мониторинг окружающей среды
локальную сеть в базовый микропроцессорный блок.
3.	Микропроцессорный блок, который является промежуточным звеном
между МГС и персональным компьютером, выполняет следующие функ-
ции [2]:
•	осуществляет режим работы МГС без компьютера, с записью всей
экспериментальной информации по сети во внутреннее ОЗУ (боль-
шой емкости) базового блока, с последующей периодической пере-
записью информации по системе прерываний в персональный ком-
пьютер;
•	выполняет независимый аппаратный контроль функционирования
системы и ее перезапуска по технологии защиты от сбоев Wait Dog
Timer — WDT (с этой целью в базовый блок введен дополнительный
микроконтроллер);
•	выполняет роль промежуточного интерфейсного звена защиты пос-
ледовательного порта компьютера;
•	осуществляет предварительную стабилизацию напряжения питания
МГС.
Персональный компьютер необходим для:
•	промежуточной визуализации получаемой информации с датчиков
с целью контроля хода наблюдений;
•	записи геофизических данных на внешние носители информации
(типа магнитных - жесткого и гибкого дисководов);
•	отображения мгновенной выборки всех данных в период калибров-
ки экспериментальных датчиков.
Все блоки объединены последовательно в единую систему через локальную
сеть, назначение которой:
•	подача электропитания на МГС;
•	передаче оцифрованных данных с датчиков по интерфейсу RS232 от
измерительных блоков к базовому;
•	передача активного сигнала модуля контроля WDT базового блока
для перезапуска всех измерительных блоков (в случае нарушения
функционирования системы по заданному алгоритму).
659
Телеметрия в теории и на практике
11.3.	АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ
СЕЙСМИЧНОСТИ
При разработке месторождений полезных ископаемых, строительстве и
эксплуатации подземных сооружений, плотин и ответственных наземных
объектов особенно остро стоит проблема динамического раз-рушения мас-
сива горных пород или сооружений.
Для обеспечения безопасности работ разработана автоматизированная сис-
тема контроля сейсмичности (АСКСМ) в сложных условиях эксплуатации
ответственных промышленных объектов [3].
Наиболее эффективные способы контроля основаны на непрерывной ре-
гистрации микросейсмической эмиссии, контроль которой позволяет с до-
статочной точностью описать процесс трещинообразования, определить
координаты, размер и направление каждой трещины. Далее в локализован-
ных таким образом опасных зонах проводятся организационные и техни-
ческие мероприятия, обеспечивающие безопасное ведение работ.
АСКСМ представляет собой распределенную систему длительного непре-
рывного действия, целью работы которой является получение полной и до-
стоверной информации о сейсмических событиях. Цель достигается парал-
лельным решением на общей базе данных ряда задач:
•	сбор и обработка в реальном времени информации о сейсмосо-
бытиях;
•	интерактивное редактирование полученной информации;
•	полное сохранение результатов обработки и редактирования в
базе данных;
•	выборочное сохранение исходных данных на оптических носи-
телях;
•	получение по мере необходимости выходной и учетной инфор-
мации о результатах функциониро-вания системы.
Для решения вышеперечисленных задач создан программно-аппаратный
комплекс, который состоит из:
•	телеметрических систем сбора сейсмических событий (ТСС);
•	подсистемы обработки информации в реальном времени
(ПОИ);
•	подсистемы редактирования параметров сейсмособытий
(ПРС);
660
Глава 11. Мониторинг окружающей среды
atwrzt 100 9ASE
Рис. 11.2. Схема системы контроля сейсмичности
•	подсистемы обобщающего анализа (ПОА).
В состав ТСС входят: центральный управляющий компьютер с GPS-адап-
тером, сервер для хранения архивов сейсмических событий и телеметричес-
кие подсистемы сбора информации ТПС (до 8-и ТПС).
В свою очередь, каждая ТПС включает в себя контроллер телеметрии КТМ,
установленнный в здании сейсмостанции, и до 8-и подземных сейсмопун-
ктов, оборудованных боксами телеметрии и трехкомпонент-ными сейсмо-
метрами (в каждом сейсмопункте установлен один сейсмометр). Сейсмо-
пункты расположены на расстоянии до 6 км от сейсмостанции и соединены
с ней выделенными двухпроводными линиями связи.
Выбор радиальной структуры с проводными каналами связи обусловлен
топологией объекта, условиями эксплуатации и пожеланиями заказчика.
Для других объектов может быть реализована многоточеч-ная структура.
Каналы связи могут быть проводными, оптоволоконными или беспровод-
661
Телеметрия в теории и на практике
ными (см. ниже тех-нические характеристики системы).
Аппаратура бокса обеспечивает дистанционное приведение выходных сиг-
налов сейсмометров к нормированному значению, аппаратную фильтра-
цию принимаемых входных сигналов, дистанционное управление частотой
среза фильтров, дистанционный контроль напряжений питания, дистанци-
онную проверку сейсмометров, самодиагностику, привязку сейсмической
информации к всемирному времени, обмен данны-ми с контроллерами те-
леметрии.
Синхронизация временной шкалы с всемирным временем с точностью 1мс
обеспечивается через систему GPS. Энергоснабжение бокса осуществляет-
ся через источник бесперебойного питания, обеспечивающий автономную
работу бокса в течение трех суток.
Контроллеры телеметрии, установленные в здании сейсмостанции, при-
нимают информацию от сейсмопунктов, непрерывно записывают в буфер
волновые формы за последние 3 часа с дискретизацией 1 мс, анализируют
поступающую информацию и формируют запросы на выделение сейсми-
ческих событий центральному управляющему компьютеру и по его коман-
де записывают фрагменты волновых форм сейсмических событий в файл,
на сетевой диск и т. д.
Центральный управляющий компьютер обеспечивает конфигурирование и
управление сейсмокон-троллеров (поддержка работы до 6-и контроллеров
телеметрии), синхронизацию и привязку к всемирному времени, анализ
запросов от контроллеров телеметрии с целью выявления информативных
фрагментов волновых форм сейсмических событий, инициирование проце-
дуры записи фрагментов волновых форм сейсмических событий на сетевой
диск, протоколирование работы ТСС, управление записью содержимого
кольцевых буферов сейсмоконтроллеров на сетевой диск и т. д [3].
Данные, полученные ТСС, обрабатываются с помощью подсистем обработ-
ки информации в реальном времени (ПОИ), редактирования параметров
сейсмособытий (ПРС) и обобщающего анализа (ПОА).
Выходная документация ПОА является основой для принятия решений о
производстве организационно-технических мероприятий, направленных на
обеспечение безопасности работ или сохранности оборудования. В частнос-
ти, на ОАО «Апатит» при обнаружении зон первой степени региональной
удароопасности работы немедленно приостанавливаются, люди из опасной
зоны выводятся.
Внедрение ТСС на сейсмостанции Кировского рудника ОАО «Апатит» поз-
волило повысить точность выявления опасных пространственно-времен-
662
Глава 11, Мониторинг окружающей среды
ных интервалов, обеспечило требуемую надежность работы оборудования,
позволило сократить расходы предприятия на эксплуатацию оборудования
сейсмостанции, обеспечило возможность интеграции получаемых данных
в систему формирования регионального прогноза для всего предприятия и
региона в целом.
11.4.	СИСТЕМА СБОРА, ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА
БАЗЕ ПЛАТФОРМЫ MOSCAD
В настоящее время ощущается большая потребность в системах централи-
зованного сбора телеметри-ческой информации с территориально распре-
деленных предприятий, в первую очередь связанных с постав-ками энерго-
носителей.
Это вызвано необходимостью оперативного получения информации о пос-
тавленных потребителям энергоносителях (газа, электроэнергии, горячей
воды и т. д.) для коммерческого учета и регулирования, а также оператив-
ного и оптимального регулирования таких поставок и, собственно, обору-
дования, обеспечивающего это регулирование (газораспределительных
станций, электрических подстанций и линий электропередачи, насосных
станций и т. д.) [3].
Основными компонентами таких систем автоматизированного сбора дис-
петчерской информации и управления являются:
•	исполнительные устройства и датчики, в том числе различные ком-
мерческие вычислители, счетчики, расходомеры («интеллектуаль-
ные датчики»);
•	контроллеры для локальной обработки информации и её формиро-
вания для передачи на диспетчерский пункт;
•	программное обеспечение для этих контроллеров;
•	сеть для передачи данных;
•	каналообразующее оборудование связи для построения такой сети;
•	программное обеспечение для обработки информации в диспетчер-
ском пункте на компьютерах в режиме реального времени и архиви-
рования этой информации в базах данных;
•	программное обеспечение для работы с архивной информацией.
И если для решения задач локальной автоматизации объекта типа котель-
663
Телеметрия в теории и на практике
ной, ГРС, электрической подстанции у разработчиков достаточно большой
выбор отечественных и импортных контроллеров, средств разработки и
программирования, то при построении территориально-распределенных
сетей ситуация на-много сложнее.
Зачастую точки такой сети — объекты автоматизации — не имеют каналов
связи для пере-дачи цифровой телеметрической информации и информа-
ции от средств коммерческого учета энергоносите-лей. В лучшем случае к
этим точкам имеются телефонные линии весьма низкого качества и надеж-
ности, задействованные для оперативной связи. Попытки их использова-
ния для построения систем телемеханики и коммерческого учета совершен-
но бесперспективны. Строительство современных систем коммуникаций к
каждому такому объекту нецелесообразно как с экономической, так и с тех-
нической точки зрения.
Проблема решается на оборудовании, спроектированном и разработанном
с учетом функционирования сети по низкоскоростным каналам связи или
радиоканалам. Это требует разработки и применения мощного сетевого
протокола с высокой помехоустойчивостью и достоверностью, а также спе-
циальных методов оптимизации представления и обмена информации меж-
ду точками такой сети.
При построении автоматизированных систем на оборудовании MOSCAD
(впрочем, как и на любых других контроллерах) необходимо осуществить
следующие действия:
1.	Спроектировать систему, определить и описать решаемые задачи. Оп-
ределить топологию сети и коммуникации между точками сети.
2.	Выбрать и укомплектовать объекты, подлежащие автоматизации дат-
чиками, исполнительными устройствами, приводами, средствами
коммерческого учета, источниками основного и резервного питания,
устройствами коммутации, сигнализации, устройствами отображе-
ния и ввода информации (пульты, мнемосхемы, щиты сигнализации
и т. д.), для рабочего места оператора, работающего непосредственно
на объекте. Поддержка контроллерами MOSCAD стандартных про-
токолов и возможность программной адаптации под нестандартные
протоколы позволяют применять практически любые отечествен-
ные и импортные компоненты, удовлетворяющие требованиям за-
казчика. Стоимость этих компонентов может значительно пре-вы-
шать стоимость контроллеров.
3.	Разработать и отладить программное обеспечение, загружаемое в кон-
троллеры MOSCAD, устанав-ливаемые на объектах автоматизации.
664
Глава 11. Мониторинг окружающей среды
4.	Спроектировать, разработать и отладить программное обеспечение
реального времени (взаимодействующее непосредственно с конт-
роллерами сети) автоматизированной системы для установки на
компью-терах диспетчеров системы.
5.	Спроектировать и разработать базу данных для архивирования полу-
чаемой информации и про-граммные средства для работы с инфор-
мацией, хранящейся в базе данных.
MOSCAD — высокоэффективная платформа для построения систем ав-
томатического управления тер-риториально-распределёнными объекта-
ми [3].
Оборудование MOSCAD представляет собой один, но чрезвычайно важ-
ный с точки зрения надежно-сти и эффективности работы компонент такой
системы — контроллер с каналами ввода-вывода для под-ключения датчи-
ков и исполнительных устройств.
Сердцем контроллера MOSCAD является модуль процессора, обладающий
мощными вычислитель-ными, управляющими и коммуникационными воз-
можностями. Контроллер может принимать управляющие решения непос-
редственно на объекте, основываясь как на локальной информации, так и на
информации о системе в целом, полученной от других контроллеров.
Рис. 11.3. Оборудование системы MOSCAD
665
Телеметрия в теории и на практике
Уникальный коммуникационный протокол позволяет использовать при
построении сети низкоскоростные, с невысокой степенью надежности ка-
налы, в том числе радио, обеспечивая при этом высокую достоверность пе-
редаваемых данных и разрешение сетевых конфлик-тов на уровне операци-
онной системы.
Модульная конструкция MOSCAD и большой выбор модулей ввода-выво-
да позволяет сконфигурировать каждый контроллер в соответствии с тре-
бованиями заказчика. В любой контроллер может загружаться программа
преобразования протоколов, которая позволит интегрировать в общую сис-
тему как новые, так и существующие «интеллектуальные» датчики, счетчи-
ки и измерители.
Для установки модулей ввода-вывода предусмотрены 3-, 6- и 8-слотовые
конструктивы. В 8-слотовых конструктивах может собираться до 63 моду-
лей ввода-вывода с одним контроллером. Неотъемлемой частью MOSCAD
является программный пакет MOSCAD ToolBox для разработки приложе-
ний и конфигурирования контроллеров и сети. Это набор мощных инстру-
ментальных программных средств для РС, которые исполь-зуются для раз-
работки прикладных программ, компоновки и диагностики системы.
Компания Motorola производит обучение персонала заказчика и предпри-
ятий, осуществляющих проектирование, монтаж и наладку оборудования
для обеспечения качественной установки систем и надежного функциони-
рования действующих систем. Это оборудование применяется во многих
странах мира для по-строения систем телемеханики, автоматизированных
систем управления, систем оповещения, мониторинга окружающей среды
(в т. ч. радиационного) и т. д. Системы MOSCAD находят применение в
США и Авст-ралии, Южной Африке и Венесуэле, Гонконге и России, Вен-
грии и Польше [3].
Эффект от применения системы MOSCAD в системах мониторинга ок-
ружающей среды определяется качеством процедур сбора информации о
радиационной обстановке, метеоусловиях, уровне воды в реках и водохра-
нилищах и т. д. Оперативная информация о событиях, представляющих уг-
розу для населения или промышленных объектов, позволяет принять меры
по предотвращению этих событий или снижению их воздействия [3].
666
Глава 11. Мониторинг окружающей среды
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ И
1.0 Национальной системе мониторинга окружающей среды Республики
Беларусь.
2.Вертикальная градиентная система сбора геофизической информации
(http://www.ccssu.crimea.ua/tnu/structure/subdivision/nik/potencial/
index.html).
3. Общие принципы построения систем с использованием оборудова-
ния MOSCAD (http://www.global.com.ua/-base/vega/activity/datas.
phtml#3#3)
4. Опыт внедрения системы сбора данных и управления на основе радио-
модемов «Невод» (http://www.geolink-consulting.ru/).
667
Группа подготовки издания:
Зав. редакцией компьютерной литературы: М.В. Финков
Редактор: М.А. Финкова
Корректоры: Е.Е. Кириллов, Н.Б. Сиразитдинова
ООО «Наука и Техника»
Лицензия №000350 от 23 декабря 1999 года.
198097, г. Санкт-Петербург, ул. Маршала Говорова, д. 29.
Подписано в печать 7.12.2006. Формат 70x100 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Объем 42 п. л.
Тираж 2000. Заказ 861
Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО «Техническая книга»
190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.
Книги ПОЧТОЙ
Издательство «Наука и Техника» принимает заказы на продажу собственной печат-
ной продукции по почте наложенным платежом. Оплата производится на почте при по-
лучении книг. Для этого Вам необходимо оформить бланк заказа и отправить его нам.
Для жителей России:
192029 Санкт-Петербург, а/я 44,
ООО «Наука и Техника»
тел/факс (812)-567-70-26, 567-70-25
E-mail: admin@nit.com.ru
Для жителей Украины:
02166 Киев-166, ул. Курчатова, 9/21,
«Наука и Техника»
тел/факс (044)-516-38-66
E-mail: nits@voliacable.com
С1 декабря 2006 г. вы можете приобрести книгу из любой
страны по предоплате. Подробности на сайте издательства:
www.nit.com.ru
Заполняйте поля аккуратно большими отдельными буквами.
Информация для приобретения книг почтой частными лицами
1. Фамилия, имя, отчество __________________________________________________________
2. Почтовый адрес: индекс страна
область город, поселок улица________________________________________________________
дом корпус кв.______________________________________________________________________
телефон ()__________________________________________________________________________
адрес электронной почты (если он у Вас есть): E-mail: 
БЛАНК ЗАКАЗА (принимаются ксерокопии)
Автор..........Название..............................................  Цена....Цена.....Год.....Объем Заказ
Россия Украина	(экз.)
(руб.) (грн.)
Популярная медицина и психология
Серия “ Агафонычев. Бердникова.	Саквояж эскулапа” 	Анималотерапия. Усы, лапы, хвост - наше лекарство	 	Мир ребенка: развитие психики, страхи, социальная адаптация, интерпретация детского рисунка	 	Ребенок без папы: решение проблем неполной семьи	 	Современный ребенок и его проблемы: детский сад, школа, дом, телевизор, интернет, улица	 	9 месяцев до рождения. Настольная книга будущих мам	 	Нос всему голова. Секреты ринологии: красота, здоровье, обоняние	 	Как вырастить ребенка гением. 250 рецептов от педиатров, психологов, педагогов, диетологов	 	Стволовые клетки: Правда и мифы	 	Целлюлит: борьба яблока с апельсином (массаж, гимнастика, диеты, ароматерапия)	 	Диеты? Диеты! (120 диет под одной обложкой)	 	Как избавиться от тревоги и страха. Практическое руководство психотерапевта				..65			15....	....2006....	... 304...	
		..87			19....	....2007....	... 288...	
Башкирова.. Башкирова..		..87			19....	....2007....	... 272...	
				....2007....	... 240...	
Башкирова.. Безрукова...		.. 87			19....	....2006....	... 384...	
		..65			15....	....2006....	... 304...	
Болотовский		..87			19....	....2006....	... 416 ..	
Борисов	 Гаврилова....		..76			17....	....2006....	... 288...	
		..65			 15 .	..,.2006....	... 304...	
Жирнова	 Ковпак			..65 ...		15....	....2006....	... 352...	
				....2007....	... 272...	
						
X
(принимаются ксерокопии)
Автор		.. Название	Цена.... Россия (руб.)		..Цена .... Украина (грн.)	..Год		. Объем	Заказ (зкз.)
Колосков		...Windows ХР. Популярный самоучитель Изд. 2-е. перер и доп.	.108 .	...24 . ..	.2005..	....368 .	
Кузьмин		...Поиск в Интернете: Как искать, чтобы найти		.54			 12 . .	..2006...	.... 160...		
Кузнецова 		...Установка и переустановка Windows. Изд. 5-е		. ***	. ***	..2007...	.... 128...		
Кузнецова 		... Microsoft Windows ХР. Краткое руководство		.63			14... .	..2005...	....256...		
Куприянова....	.... Реестр Windows ХР: Трюки, настройки, секреты		.65 ...		15 ....	..2006..	.... 192...	
Лохниски		....222 проблемы работы на компьютере и их решение		.65 . .	....39 ....	..2006. .	...224...		
Марек		....Ассемблер на примерах. Базовый курс		.109....	. ...24		..2005....	.. .240...		
Матвеев		.... Самоучитель MS Windows ХР. Все об использ. и настр. Изд. 2-е..	.160 .		36 ....	..2006...	...624...		
Моркес		. ..Microsoft Access 2003. Эффективный самоучитель		.164			37		..2006...	...352...		
Подольский....	....Печать на ПК слепым десяти пальцевым методом. Изд. 3-е		28 ...		6 		..2006...	...96			
Пономарев		...Самоучитель работы на ПК + цветные вклейки, 2-е изд 		.109...	. ...24		. 2007 ...	...368	
Серогодский...	... Excel 2003 + цв.вклейки. Эффективный самоучитель. Изд. 2-е..	153 .		34 .. .	.2006....	. .400...		
Сухарев	Turbo Pascal 7.0. Теория и практика					
	программирования, 3-е изд		164....	.. .37		.2007. ..	...544...		
Юдин		...Легкий самоучитель работы на ноутбуке + цветные вклейки....	109.. ..		24		.2007. .	...256...		
Юдин		...Самоучитель работы на ноутбуке, 3 -е изд. перераб. и доп		***..	***	.2007...	.. 512...		
Юдин		...Самоучитель работы на ноутбуке. Изд. 2-е + цв.вклейки 		175...	...39 .. ..	.2006...	...512...		
		... Скачиваем фильмы, музыку и программы из Интернета.					
	Пиринговые сети		65 ....		15 		.2006...	...272...	
Серия: Полное руководство
Бен Лонг.....Цифровая фотография от А до Я.
Полное руководство с цв. вклейками +CD............285......65..2006..592
Досталек.....TCP/IP и DNS в теории и на практике. Полное руководство.263.58..2006..608
Колисниченко..Linux: Полное руководство.........................252......54	 2006..784
Шетка........ Microsoft Windows Server 2003: Полное руководство.241..... 53	 2006..608
Серия: Секреты мастерства
Колисниченко.IRC. IRC-каналы. IRC-боты: как пользоваться
	и как сделать самому. Избранные технологии Интернета		.186		....42....	...2006....	...368.
Колисниченко..	... Unux-сервер своими руками. Изд. 4-е перер. и доп		.219....	....45 ...	....2005....	...752..
Колисниченко..	...Rootkits под Windows. Теория и практика программирования * шапок-невидимок*, позволяющих скрывать от системы данные, процессы, сетевые соединения		.175		....39...	.... 2006 ..	...320..
Мозговой		... Классика программирования: алгоритмы, языки, автоматы, компиляторы. Практический подход		.175		....37		....2006....	...320..
Мозговой	С++Мастер-класс. 85 нетривиальных проектов, решений и задач		.193		....43		...2007....	...272..
Смит		...Оптимизация и защита Linux-серверасвоими руками		.219		....49		...2006....	...576..
Сухарев		...Основы Delphi. Профессиональный подход		.184 ..	....37 ...	...2004....	...600..
Финков		...Интернет. Шаг второй: от пользоват. к профессионалу + CD .	.88 ....	....17 ...	...2002....	...768..
Юдин		...Ноутбук: особенности использования и настройки. + цв.вклейки. 2-е изд., перераб. и доп		.186		....41		.... 2006 ..	...416 .
Серии:	Профи и др.				
Вебер			Knowledge-технологии в консалтинге и управл .предлр.+ CD .	..127 ..	....18 ..	....2003....	... 176..
Гургенидзе		Мультисервисные сети и услуги широкополосного доступа...	..87 ....	.... 18 ..	....2003....	...400..
Есипов 			Информатика (учебник). Изд. 3-е		..102 ...	....21 ..	....2003....	...400..
Куприянов .		Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов		.66 ....	....12 ..	....2000....	...752..
Кучеров			Источники питания ПК и периферии. Изд. 3-е		.142 ..	....32 ..	....2005....	...432..
Кучерявый..		Пакетная сеть связи общего пользования		..109 ..	....27 ..	....2004....	...272..
Кучерявый..		Управл. трафиком и качество обслуживания сети Интернет...	.128 ..	....29 ..	....2004....	...336..
Щеглов			Защита комп, информации от несанкционир. доступа			.164 ..	...20 ..	....2004....	...384..
X
(принимаются ксерокопии)
• Автор	 |	.... Название		Цена.... Россия (руб-)	..Цена ..... Украина (гри.)	-Год		
Колисниченко		Новичок за рулем. Советы психолога, юриста, инструктора.	...83			19		.2006...	....368...
Левенбаум...		Надо ли худеть? Как стать красивой. Рецепты, советы, рекомендации		...65			 15		.2006...	....320...
Цветкова 			Кладовая здоровья на вашем столе: фрукты			....47			11		.2006...	....240...
Цветкова			Кладовая здоровья на вашем столе: овощи		....43			10		.2006...	....208...
Серия “ Башкирова.... Бердникова	Кратко о важном” 	Ждем ребенка. Рекомендации, подсказки, советы	 Здоровый малыш (100 практических советов по уходу за ребенком)	 Ваш малыш - это личность (100 практических советов по воспитанию ребенка)	 	Самые популярные Диеты! За и против	 	Диеты! Худеем по-вегетариански		...22		.... 5		.2006...	.... 128...
		...22			5		2006...	.... 128...
Башкирова		...22			5		.2006...	.... 128...
Левенбаум .... Левенбаум....		...22			5		.2006...	.... 128...
		...22			5		.2006...	.... 128...
					
Заказ
(экз.)
Компьютерная литература
Серия: Компьютерная шпаргалка
Егоров..МиниЖелтые страницы Интернет. Компьютерная шпаргалка.
Егоров			Поиск в Интернет. Компьютерная шпаргалка	
Золотарева		Электронная почта. Компьютерная шпаргалка	
Колосков....		Microsoft Windows ХР. Компьютерная шпаргалка	
Кузнецова..		Microsoft Wbrd 2003: работаем с текстом	
Матвеев			Вычисления и расчеты в Excel 2003. Комп, шпаргалка	
Юдин			Microsoft Excel 2003: работаем с таблицами	
Серия:	Просто о сложном
Алешков			Программы-переводчики. Осваиваем сами	
Антоненко.		Тонкий самоучитель работы на компьютере + цветные вклейки.
Антоненко...		"Толстый” самоучитель работы на компьютере, 2- е изд	
Брута			Java по-быстрому. Практический экспресс-курс	
Вольский			Turbo Pascal 7.0 для студентов и школьников	
Воробьев			Nero Burning ROM 7. Записываем CD и DVD	
Дмитриев....		Настройки BIOS, 3-е изд., перераб. и доп	
Егоров	Легкий самоучитель работы в Интернете.
	Все самое необходимое + цветные вклейки	
Жарков			AutoCAD 2007. Эффективный самоучитель	
Жарков				AutoCAD 2004. Эффективный самоучитель. Изд. 2-е	
Жарков			AutoCAD 2005: Эффективный самоучитель	
Жарков.
.AutoCAD 2006: официальная русская версия.
Эффективный самоучитель................................
Жарков.........Создаем чертежи в AutoCAD 2006/2007 быстро и легко....
Золотарева.....Желтые страницы Интернет 2006: Лучшие русские ресурсы ...
Кадлец.........DELPHI: Книга рецептов.
Практические примеры, трюки, секреты..................
Кальвик Дэвид....3Ds Мах 8: осваиваем на практике
создание трехмерных миров + цветные вклейки..........
Колисниченко...Самоучитель РНР 5.3-е издание............................
Колисниченко...Самоучитель LINUX. Установка, настр., использ. Изд. 4>*е.
Колисниченко... .Сделай сам комп. сеть. Монтаж, настройка, обслуж. Изд. 2-е...
Колисниченко...Англо-русский толковый словарь компьютерных терминов..
Куприянова Ядерные кнопки. Приемы эффективной работы
с использованием горячих клавиш......................................
..18			5			2006....	...80...
..18			5		...2006....	... 80...
..18			5		...2006...	...80...
.. 18			5		...2006....	... 80...
..18			5		....2006....	... 80...
.18			5		....2006...	...80...
,.18		, ... 5		....2006....	... 80...
.54 ....		12 ..	....2005....	... 144.
I.87			19....	. . 2007....	...256.
.149			33....	....2007....	...544.
.164			36....	....2006....	...384.
.83			18....	....2007....	...224.,
.65		.... 15....	....2007....	... 192.,
***	*♦*	....2007....	... 288.,
.87		.... 19....	....2006....	...256..
**♦		....2007....	... 608..
.164 ..	....37 ...	....2005....	...560..
.173		....39....	....2005....	...600..
.186		....42....	....2006....	...592..
.98		....22....	....2007...	...256..
.94		....20....	....2006....	...368..
.164		.... 36...	...2006....	...384..
.197		....44....	....2006....	...368..
.182 ..	....40 ..	....2005....	...576..
.175 ..	....39 ..	....2006....	...688..
.142 ..	....29 ..	....2004....	...448..
.83 ....	.... 18 ..	....2006....	...272..
.43		.... 10....	....2007....	... 128..

СОВРЕМЕННАЯ
ТЕЛЕМЕТРИЯ
В теории и на практике Учебный курс
Назаров А. В., Козырев Г. И., Шитов И. В., Обрученков В. П.,
Древин А. В., Краскин В. Б., Кудряков С. Г., Петров А. И., Соколов
С. М., Якимов В. Л., Лоскутов А. И.
Под общей редакцией Козырева Г. И.
(доктор технических наук, профессор, начальник кафедры
телеметрических систем ВКА имени А.Ф.Можайского)
Данная книга представляет собой великолепное руководство по телеметрии, позволяющее
получить наиболее полное представление об этой отрасли науки и техники. Слово "телеметрия"
означает измерение на расстоянии. Содержание современной телеметрии составляет широкий
круг проблем, связанных с получением, преобразованием, передачей и обработкой
измерительной информации, используемой при управлении удаленными объектами,
определении их состояния или при изучении физических процессов в местах, где
непосредственное присутствие наблюдателя затруднено или невозможно.
Книга состоит из двух частей. В главах первой части дается общая теория современной
телеметрии, начиная с основ и заканчивая последними разработками и стандартами в данной
области. Главы второй части посвящены рассмотрению практического применения телеметрии
в различных отраслях промышленности и народного хозяйства: в машиностроении, нефтяной и
газовой промышленности, космической отрасли и энергетике, различных видах мониторинга
(транспортный мониторинг, мониторинг окружающей среды и т.д.) и др.
Авторами книги является группа известных специалистов и ученых, которые, помимо
научных разработок, преподают и осуществляют внедрение средств телеметрии на различных
предприятиях в самых различных областях ("Газпром", нефтяные компании, космические
проекты, предприятия тяжелой металлургии, машиностроительные предприятия, охранные
фирмы, операторы сотовой связи и др.). Книга написана доступным языком с большим
количеством иллюстративного и аналитического материала. Рассчитана на широкий круг
читателей-студентов, инженеров, специалистов.
Если вам нужно получить наиболее полное представление о теории и практике
современной телеметрии, изучить ее, эта книга ваш лучший выбор!