Требования к телеметрической информации передаваемой по каналам связи

Множество данных, передаваемых по каналам связи, должно обеспечивать надежное управление множеством КА и ИП.

При планировании потоков необходимо определить какая телеметрическая информация должна обес­печивать рациональное управление КА.

. Если учесть большое число параметров, которые необходимо варьировать, и факторов, влияющих на качест­во и эффективность системы, то даже для быстродействующих каналов связи такая задача оказывается весьма трудоемкой. Максимально сокра­тить число передаваемой информации позволяют способы многофакторного планирования экспери­ментов. На этапе создания модели системы обоснован вид зависимости Y=Q(X,U,g) , где У - выход,

Х - вход, U - управление, g={g₁,g₂,..g_n} - неизвестные па­раметры модели. Будем считать , что кроме управления U на вход воздействует только среда С₀ , т.е. Х = Х₀ .Ее пара­метры в процессе работы контролируют, но влиять на них (управ­лять ими) не представляется возможным.

Для изучения поведения системы необходимо получить ин­формацию I={xi,Ui,y _i}. i=1,N , изменяя U и фиксируя в сери­ях экспериментов состояние среды, и по ней оценить неизвестные параметры модели {g₁,…g_n} . Теория оптимального эксперимента позволяет осуществить это с минимальным числом опытов. При­менительно к рассматриваемым системам наиболее широко используется -оптимальное планирование испытаний, которому соответ­ствует .минимум объема эллипсоида ошибок определения неизвестных параметров модели объекта, причем дополнительно ставится условие ортогональности плана, т.е. некоррелированности получаемых по нему оценок {g₁,…g_n}. Выполнить его удается не

всегда, особенно при нелинейной модели объекта. Кроме того ортогональный план может и не быть -оптимальным. Для лучшего приближения к структуре РТК зависимость выхода от входных и управляющих воздействий представляют в виде композиции слабокоррелированных групп подобных описаний. Со­ответственно каждую группу можно рассматривать как представ­ление подсистемы РТК через свой набор параметров, в результа­те чего появляется возможность на этапе анализа произвести идентификацию параметров произвести декомпозицию системы на подсистемы и строго определить вклад каждой из них в эффект функционирования всей системы. Такие операции могут быть осу­ществлены методами факторного анализа и позволяют подойти к нахождению внешних показателей эффективности. Математически процедура факторного анализа соответствует разбиению матрицы п х. п описания системы на подматрицы меньшей размерности ( п _г*п_г ), т.е. представлению ее в клеточном виде, причем так, чтобы внедиагональные клетки были близки к нулевым. Сле­довательно, в результате такого преобразования будут выделены блочные факторы, внутри которых наблюдается тесная взаимосвязь выхода с входящими в него параметрами (это и есть выделенная подсистема), более сильная, чем между самими блочными фактора­ми (между подсистемами). В итоге эксперимент по уточнению па­раметров модели существенно упростится, так как размерность понизится с n² до Sп²_r , где n_r<n,Sп_r=п . Физически это эквивалентно переходу от анализа системы в целом к анализу ее отдельных, значительно более простых подсистем, с по­следующим анализом РТК уже на агрегированной модели.

РТКУ как система массового обслуживания использовалась для определения пропускной способности комплекса.

Выражение для системного показателя эффек­тивности функционирования РТКУ, как вероятность выполнения операций технологического цикла управления (ТЦУ) по рассмат­риваемому классу КА. Будем считать, что каждая группа опера­ций выполняется независимо и необходима в ТЦУ. Тогда

где Рн.о ~ вероятность навигационного обеспечения, зависящая от успешности операций по съему измерительной ин­формации необходимого объема и качества, по пере­даче ее в Центр и по расчету параметров движения объекта;

Р_БО - вероятность баллистического обеспечения средств и объекта, зависящая от успешности операций по прог­нозу движения объекта, используемых для расчета целеуказаний, динамических операций и программ временного и координатного управления;

Р_СВ - вероятность временного обеспечения управления, за­висящая от успешности операций по сверке и коррекции бортовых и наземных шкал времени, по оценке и компенсации уходов эталонных частот;

Р_фк- вероятность правильной оценки БА и условий функционирования объекта, зависящая от получения и обработки телеметрической информации;

Р_кпо- вероятность достоверного командно – программного обеспечения, прием передача сигналов.

Таким образом, работа комплекса обеспечивается характеристиками функциональных каналов, а они определяются показателями выполнения частных операций.

Обобщенные структурные схемы наземной станции (ИП) и бортовой аппаратуры показаны на рис 5.1

Рис.5.1

Передача информации АКРЛ- аппаратура командной радиолинии

Измерение текущих навигационных параметров КА –АИНП

Передача навигационных параметров о состоянии бортовой аппаратуры –ТМА

Синхронизация работы устройств и аппаратура сверки и коррекции АСК шкал.

БПВУ-бортовое программно временное уст-во.

Передача сигнала с помощью устройств формирования и разделения совмещенного сигнала УФСС, УРСС.

Для обеспечения высокой помехозащищенности КИС, в частнос­ти криптостойкости передаваемых сообщений, ис­пользуется аппаратура криптозащиты (АКЗ). Высокая помехоустойчивость передачи командно-программной информации достигается за счет использования обратной связи, помехоустойчивых систем кодов, псевдошумовым сигналов итд, реализуемых в передатчиках ПРД, и приемниках ПРМ.

Автоматизация процесса управления и обработки информацииЮ требует включения устройств обмена –УО, сопряжения УС, пультов управления ПУ, средств отображения СО, линий связи ЛС.

5.2. ВИДЫ И ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Информация, передаваемая по радио-телеметрическим каналам с КА , содержит большое количество данных о физических процессах, протекающих в окружающем пространстве. К числу таких данных относят­ся сведения о функционировании систем, узлов и агрегатов ап­парата, о выполнении заданных программ или команд. Все эти дан­ные представляют электрическими сигналами в выбранном масштабе.

Часть принятой информации должна представляться потребите­лям в темпе ее поступления. Большая еёчасть ее обычно требует­ся для более детального анализа функционирования систем и агре­гатов, определения взаимосвязи контролируемых параметров, рас­чета различного рода характеристик систем и т.д. Как в том, так и в другом случае поступающая телеметрическая информация долж­на подвергаться обработке.

Основными операциями обработки телеметрических измерений являются:

- выбор необходимой информации из полного объема поступающей или уже принятой;

- повышение достоверности телеметрических данных (фильтра­ция ошибок измерений);

- устранение избыточности (сжатие) телеметрических данных;

- дешифровка выбранного объема данных;

- представление и анализ результатов обработай.

Рассмотрим задачи, решаемые с помощью этих операций.

Выбор информации для обработки производится с целью удовлет­ворения требований по управлению полетом КА.

Задача повышения достоверности дан­ных измерений решается путем отбраковки аномальных ошибок и сглаживания измерений. При сглаживании данных уменьшается ошиб­ка воспроизведения измеренного параметра.

Устранение избыточности (сжатие) данных осуществляется с целью минимизации объема измерений при заданном объеме полезной информации. Избыточность устраняется путем исключения излишней информации.

В результате дешифровки вычисляются истинные значения передаваемых параметров. Дешифровка представляет со­бой комплекс логических и математических операций над приняты­ми сигналами. Представление информации имеет целью подготовить и выдать на устройства отображения и документирования резуль­таты обработки в виде, удобном для непосредственного исполь­зования или дальнейшей обработки. Анализ результатов телеизмере­ний производится с целью получения требуемых характеристик объ­екта и оценки правильности его функционирования. В процессе анализа определяют летно-техиические и технические характери­стики, оценивают надежность и качество функционирования систем объекта, вычисляют статистические характеристики параметров и ДР.

Выбор определенного круга задач обработки из полногоих пе­речня определяется целями использования информации. По целям использования автоматизированная обработка подразделяется на оперативную и полную.

Оперативная обработка осуществлятся с целью определения работоспособности систем объекта и принятия реше­ния по управлению объектом в целом. Она проводится в темпе поступления информации с объекта. Объем оперативной обработки ог­раничен теп минимумом информации, который соответствует количе­ству возможных управляющих воздействий. Информацию, подлежащую оперативной обработке, часто называют экспресс-информацией. Кон­тролируемые параметры, данные о которых включены в экспресс-ин­формацию, подразделяются на дежурные и оперативные. Перечень оперативных параметров зависит от выполняемых объектом задач и программ работы специальной аппаратуры. Их количество колеблет­ся в пределах до 2.0% от всего состава контролируемых парамет­ров на объекте.

Под полной обработкой понимается обработка и ана­лиз всего объема информации, полученной в процессе испытаний или эксплуатации объекта. Полная обработка производится с целью получения летно-технических характеристик систем и объекта в це­лом, оценки эффективности функционирования систем, определения соответствия характеристик КА заданным техническими требова­ниями. Жестких временных ограничений на полную обработку, как правило, не накладывается.

По этапам и содержанию операций оба вида обработки телемет­рической информации разделяются на первичную и вторичную обра­ботку.

Первичная оперативная обработка заклю­чается в получении достоверной и существенной информации в ви­де, удобном для последующего использования. Она должна решать следующие задачи:

- выбор экспресс-информации из общего потока ТИ;

- автоматическая оценка качества поступающей информации и выбор интервалов ТИ, пригодных к автоматизированной обработке;

- отбраковка недостоверных измерений;

- сглаживание данных измерений;

- сжатие данных;

- учет тарировочных характеристик датчиков и калибровочной характеристики РТС;

- привязка измерений к московскому времени;

- представление результатов обработки, т.е. Формирование массивов обработанной информации в виде, удобном для выдачинасредства наглядного отображения (документирования), дальнейшей (вторичной) обработки или хранения в архиве.

Вторичная оперативная обработка про­изводится с целью решения трех основных задач:

- определения работоспособности систем и объекта в целом;

- определения и локализации неисправностей в системах;

- прогноза состояния систем на определенном интервале вре­мени.

Первые две задачи представляют собой задачи технической диагностики. Конечным итогом вторичной оперативной обработки должны явиться сведения о техническом состоянии систем объекта, а также о характере и причинах возникших неисправностей для принятия решения на дальнейшее управление объектом.

Первичная полная обработка ТИ решает прак­тически те же задачи, что и первичная оперативная обработка. Раз­ница заключается в целях, качестве и методах обработки. Цель данного вида обработки - получение компактного, в частности ана­литического представления телеметрируемых процессов для после­дующего вычисления по ним характеристик систем. Менее жесткие временные ограничения позволяют организовать первичную обработ­ку по более оптимальным в смысле точности и надежности алгорит­мам для достижения большей точности обработки. Точность обра­ботки здесь играет первостепенную роль, так как полученные функ­ции поведения параметров необходимо будет в дальнейшем дифферен­цировать, интегрировать и производить другие вычислительные операции.

Вторичная полная обработка решает задачи полного и тщательного анализа качества функционирования и на­дежности систем, определения летно-технических и технических характеристик систем, вычисления статистических характеристик процессов, происходящих на объекте, определения характеристик вибраций, оценки точности полученных результатов и т.д. Реше­ние перечисленных задач основано на использовании сложных мате­матических методов, таких, как методы теории случайных функций, методы идентификации и оптимального управления, методы регрес­сионного и дисперсионного анализа и т.д. Реализация этих мето­дов требует больших мощностей вычислительных средств комплек­сов автоматизированной обработки.

5.3.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ ОБРАБОТКИ

Автоматизированная обработка информации производится на комплексах обработки, основным элементом которых является ЭВМ. Комплексы обработки могут функционировать лишь при наличии математического обеспечения.

Задачи МО комплексов обработ­ки состоят в создании, постоянном совершенствовании и содержа­нии в полной готовности следующих основных элементов:

- математических моделей источников информации, средств сбора, передачи, хранения, обработки и отображения ее;

- методик и алгоритмов оперативной и полной обработки;

- информационно-логической системы обработки (организующие и информационно-поисковые программы, программы планирования ра­боты средств измерений, обработки и управления и т.д.);

- машинных программ оперативной и полной обработки;

- описаний и инструкций.

Главным элементом МО являются программы.

Можно выделить следующие основные классы стандартных программ:

- программы обработки ТИ;

- организующие программы;

- вспомогательные программы.

Программы обработки ТИ включают в себя программы сбора ТИ, первичной и вторичной обработки, статисти­ческой обработки. Общий объем программ этой группы весьма зна­чителен и может превышать I0¹³ команд.

К числу организующих программ от­носятся программы:

- учета и формализации заявок на результаты обработки;

- формализации заявок на исходные данные;

- распределения работ между элементами комплекса обработ­ки;

- управления информационно-поисковой системой;

- распределения памяти комплекса;

- подготовки и сбора исходных данных;

- планирования и учета профилактических проверок комплек­са обработки и его МО;

- учета заявок на корректировку планов работ и неплановых работ;

- согласования структуры информации по устройствам комплек­са обработки и т.д.

Общий объем организующих программ может до­стигать (50 t 60) • I0³ команд.

Вспомогательные программы обеспечивают решение следующих задач:

- подготовки и контроля исходных данных;

- формализации и учета планирования работ;

- передачи исходных данных;

- обслуживания архивов (библиотек) программ, исходных дан­ных, результатов обработки, справочно-статистической информа­ции.

Объем программ достигает (25 t 30) • 10 команд.

5.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕМЕТРИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

Телеметрическая информация представляет собой результаты измерений параметров. По своей физической природе и характеру изменения во времени параметры могут быть весьма различны.

По скорости изменения во времени параметры разделяют на медленноменяющиеся и быстроменяющиеся. К медленноменяющимся от­носятся параметры, максимальная частота спектра которых не пре­восходит 10 - 20 Гц. Быстроменяющиеся параметры - это парамет­ры, максимальная частота спектра которых более 15 - 20 Гц и достигает десятков килогерц.

Медленноменяющиеся параметры по виду тарировочной характеристики разделяют на функциональные, температурные, сигнальные и функционально-диапазонные. Кроме того, в связи с наличи­ем датчиков с многозначными тарировочными характеристиками вы­деляют определяющие и зависимые параметры.

Тарировочной характеристикой (ТХ) датчика называют зависи­мость между значениями параметра в физических единицах и выход­ным напряжением датчика в процентах или вольтах:

u=f(p) ; p=f^-1(u) .

При обработке ТИ тарировочная характеристика представляет­ся в виде таблицы, в которой функцией является значение пара­метра, а аргументом - выходное напряжение.

Функциональными параметрами (ФП) называют непрерывные функ­ции времени с бесконечным числом возможных значений, характе­ризующие изменение во времени непрерывного физического процес­са. Тарировочная характеристика функциональногопараметрапредставляется конечным набором пар значений функции ри аргу­мента и. (t = I,..., п ) в характерных точках зависимости . Примером функциональных параметров являются параметры механических процессов (координаты, скорости, ускорения, углы, угловые скорости и т.д.), электрических и магнитных процессов (напряжение, ток, мощность, напряженность и т.д.), аэродинами­ческих процессов (давление, плотность, вязкость).

Сигнальными параметрами (СП) называет разрывные функции вре­мени (с разрывами 1-го рода) с двумя возможными значениями, по которым контролируются события и явления, происходящие на объек­те. Тарировочная характеристика сигнального параметра представ­ляется двумя значениями аргумента u.(i=/,2) , а функция - со­ответствующими им текстовыми ответами о событиях. Примерами сигнальных параметров являются параметры, контролирующие вклю­чение двигателя или другой системы, подачу питания и т.д. Тексто­вый ответ характеризует состояние системы ("двигатель включен", "двигатель выключен") или датчика ("замкнут", "разомкнут").

Остальные типы параметров по характеру поведения или виду тарировочной характеристики занимают промежуточное положение, являются частными случаями рассмотренных выше параметров. Так, например, температурные параметры по характеру поведения и ви­ду тарировочной характеристики можно отнести к функциональным. Выделение их в отдельную группу обусловлено тем, что они ха­рактеризуют тепловой режим и измеряются системой измерения температур. Кроме того, температурные датчики имеют специфическую тарировочную характеристику, в которой аргументом яв­ляется сопротивление:

Так как в итоге алгоритм обработки (учета ТХ) таких пара­метров существенно отличается от алгоритма дешифровки (учета ТХ) других ФП, они и выделяются в специальную группу.

Диапазонные параметры (ДП) по характеру поведения во вре­мени могут быть непрерывными функциями или разрывными .(функ­ционального или сигнального типа). Однако в любом случае из мно­жества состояний контролируемого ими процесса (системы) харак­терным является лишь некоторое конечное число. Поэтому ТХ диапазонного параметра разбита на конечное число участков (два и более). Значению аргумента в пределах каждогоиз этих участков (и_i< и<и_i+1 ,t=l,2,...,n), так же как и для СП, соответствует опреде­ленный текстовый ответ, но число этих ответов может быть боль­ше двух. Часть ДП представляет собой пара­метр сигнального типа с числом состояний, большим двух. Значе­ния такого параметра - это всевозможные комбинации состояний нескольких контактных датчиков, передаваемых по одному каналу. В этом случае аргумент ТХ может быть представлен в виде и_i±Du_i , а функция - текстовыми ответами о режиме работы контро­лируемой системы (систем). Диапазонный параметр по виду записи его на графике может быть и функциональным, но в процессе об­работки согласно ТХ определяются лишь номер диапазона, в пре­делах которого находится текущее значение аргумента u(t,) , и выдается соответствующий этому диапазону текстовый ответ о со­стоянии системы (объекта).

Функционально-диапазонные параметры (ФДП) представляют со­бой нечто среднее между ФП и ДП. По виду записиих на графике они являются параметрами функционального типа (непрерывные Функ­ции), но в определенных зонах значений этих параметров (обыч­но вблизи границ графика) потребителя интересует лишь диапазон, в котором он находится. Поэтому ТХ ФДП состоит из функциональ­ной и диапазонной частей. Обычно ТХ имеет два диапазона: "зону нечувствительности" и "зону насыщения" (при "больших" значениях - второй диапазон). Между ними располагается функцио­нальная часть ТХ, заданная парами значений

(и_i, Р_i ), Если ар­гумент u (t_i) ФДП находится в функциональной части ТХ, то в результате обработки (линейной интерполяции) выдается соответ­ствующее ему из ТХ значение параметра Р (t_i), как для ФП. Если аргумент и (t_i ) попадает в определенный диапазон (0%<u(t_i)£u1 или

u_n<u(t_i)£100%), то выдается соответствующий текстовый ответ.

Тарировочная характеристика некоторых датчиков может изме­няться в зависимости от состояния другого датчика (параметра). Так, при различных режимах работы системы, контролируемых с по­мощью СП или ДП, диапазон (точность) измерений некоторого пара­метра физического процесса, протекающего, в системе и контроли­руемого датчиком функционального типа (ФП), может быть различ­ным. Характер преобразования датчиком входного процесса в выход­ное напряжение [ТХ или оператор f , а следовательно, и обрат­ный оператор f' может также изменяться в за­висимости от условий окружающей среды, например температуры. В таком случае параметр, измеряемый этим датчиком, называетсяза­висимым,а температурный параметр - определяющим. Так или ина­че ТХ зависимого параметра является многозначной зависимостью или состоит из набора тарировочных кривых (ТХ). Выбор номера тарировочной кривой определяется состоянием (номером диапазона), в котором находится определяющий параметр. Определяющий пара­метр может быть любого типа (ФП, ТП, СП, ДП, ФДП), а зависимый параметр - только ФП, ТП или ДП.