3. Радиотелеметрические и совмещенные системы

З.1. РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Радиотелеметрические системы (РТС) при летных испытаниях самолетов и вертолетов применяются в настоящее время, главным образом, в качестве информационных каналов систем управления летным экспериментом в темпе его проведения. Одновременно радиотелеметрическая система может использоваться как дублирующая бортовая система при обработке результатов с целью повышения надежности и достоверности результатов измерений и летного эксперимента в целом.

Радиотелеметрической системой принято называть комплекс технических средств, предназначенных для измерения физических величин, передачи результатов измерений по радиоканалу и регистрации их на приемном пункте (станции). Радиотелеметрическая система имеет ряд достоинств и преимуществ по сравнению с бортовой измерительной системой:

• большую пропускную способность,

• меньшие габаритные размеры,

• малую потребляемую мощность бортового устройства,

• возможность непосредственного наблюдения на земле за ходом летного эксперимента.

Определенными ограничениями применения радиотелеметрической системы при летных испытаниях самолетов являются:

• необходимость измерительной трассы, оборудованной приемными станциями (или самолетного измерительного пункта),

• более сложные условия соблюдения электромагнитной совместимости бортовой аппаратуры радиотелеметрической системы с другими системами самолета и, в первую очередь, с системой радиосвязи,

• необходимость установки на испытуемом самолете передающих антенн с диаграммами направленности, обеспечивающими прием радиотелеметрических сигналов при различных эволюциях самолета.

Обобщенная функциональная схема РТС показана на рис. 6.

Рис. 6. Обобщенная функциональная схема радиотелеметрической системы: 1 – датчики измеряемых величин; 2 – вторичные измерительные преобразователи; 3 – датчик калибровочных сигналов; 4 – шифратор; 5 – передатчик; 6 – сигналы СЕВ; 7 – приемник; 8 – автономное устройство шкалы времени; 9 – дешифратор; 10 – устройства документирования и представления.

В современных радиотелеметрических системах весь поток радиотелеметрической информации регистрируется на магнитной ленте, а часть информации – на так называемых открытых графических устройствах. Обычно в радиотелеметрических системах предусмотрена автономная шкала времени, регистрируемого вместе с измеряемыми величинами.

Датчики физических параметров радиотелеметрической системы не отличаются от датчиков бортовой измерительной системы, выбираются в зависимости от задач летных испытаний и выпускаются независимо от принятой для летных испытаний системы – бортовой или радиотелеметрической. Вторичные электрические преобразователи (согласующие устройства) также в большинстве случаев не зависят от вида системы – бортовой или радиотелеметрической. Что же касается всех остальных устройств радиотелеметрической системы, то их комплекс принято называть радиотелеметрической аппаратурой (РТА). В последние годы вторичные электрические преобразователи обычно включаются в состав радиотелеметрической аппаратуры.

Радиотелеметрическая аппаратура может быть унифицированной, предназначенной для летных испытаний различных летательных аппаратов и их систем, или специализированной – для определенных задач летных испытаний или летных испытаний летательных аппаратов определенного класса. Однако, основным направлением создания радиотелеметрической аппаратуры является унификация структур сигналов и стандартизация аппаратурных узлов, что позволяет их наращиванием изменять информативность системы и соответственно потребляемую мощность, полосу частот, габаритные размеры оборудования в соответствии с задачами и особенностями испытаний.

В зависимости от метода передачи информации радиотелеметрическая аппаратура может быть аналоговой или цифровой.

В аналоговой радиотелеметрической аппаратуре параметры электрических сигналов, являющиеся мерой измеряемых физических величин (амплитуда, частота и т.п.) изменяются непрерывно в соответствие с измеряемой величиной.

В цифровой радиотелеметрической аппаратуре (ЦРТА) измеряемый (телеметрируемый) сигнал квантован по уровню и кодирован, что обеспечивает их более высокую помехоустойчивость по сравнению с аналоговыми. Именно поэтому в настоящее время цифровая радиотелеметрическая аппаратура практически вытеснила аналоговую. Кроме того, цифровая радиотелеметрическая аппаратура обладает более высокой точностью и достоверностью, чем аналоговая и обеспечивает непосредственную передачу цифровых сигналов (например, входных и выходных сигналов БЦВМ, системы управления самолета).

По способу разделения сигналов различают радиотелеметрическую аппаратуру с временным, частотным, кодовым и комбинированным разделением. Системы с временным, кодовым и комбинированным разделением находят наиболее широкое применение благодаря более высокой помехоустойчивости и меньшим перекрестным помехам между каналами.

На рис. 7 приведена принципиальная структурная схема передающей части ЦРТА с временным разделением каналов.

Рис. 7. Принципиальная структурная схема передающей части ЦРТА с временным разделением каналов: 1 – аналоговые датчики, 2 – цифровые датчики, 3 – БЦВМ, 4 – вторичный преобразователь, 5 – коммутатор, 6 – сумматор, 7 –генератор тактовых импульсов, 8 – передатчик.

Сигналы с аналоговых датчиков после вторичного преобразования поступают на коммутатор, поочередно подключающий их к общему тракту системы. На выходе коммутатора сигнал каждого датчика представляет собой дискретные выборки, преобразуемые аналого–цифровым преобразователем (АЦП) в последовательный или последовательно–параллельный код, который затем поступает на сумматор. На сумматор же после соответствующего кодирования поступают сигналы с цифровых датчиков и сигналы контроля БЦВМ летательного аппарата. Таким образом, выходной сигнал сумматора, поступающий на вход передатчика, представляет собой определенным образом организованную (с помощью генератора тактовых импульсов) последовательность различных измерительных и служебных синхронизирующих сигналов, необходимых для выделения в приемной части отдельных сигналов в процессе обработки измерений.

Н

а рис. 8 приведен простейший пример такого суммарного сигнала ЦРТА с временным разделением, называемого кадром.

Рис. 8. Кадр ЦРТА с ВРК: 1 – слово; 2 – импульсы синхронизации слов; 3 – символы; Т_к – длительность кадра; – канальные интервалы ( ); – синхронизирующий интервал.

Кадр длительностью Т_к состоит из N канальных интервалов и синхронизирующего интервала . Каждый канальный интервал содержит последовательность символов, соответствующих разрядам цифрового (двоичного) кода измерительных сигналов, которая вместе с импульсом синхронизации каналов называется словом. В приведенном примере принят восьмиразрядный код. В существующих системах цифровой радиотелеметрической аппаратуры обычно используется десяти – двенадцатиразрядный двоичный код. Структура кадра радиотелеметрической аппаратуры является важнейшей ее характеристикой, необходимой для планирования измерений и разработки программ обработки результатов.

Радиотелеметрическая аппаратура предыдущих поколений, как правило, имела циклический (периодический) опрос, т.е. Т_к = const. Существующая цифровая радиотелеметрическая аппаратура строится с периодическим опросом и изменяемым по заданной программе Т_к. Перспективной является цифровая радиотелеметрическая аппаратура с изменяющимся Т_к в зависимости от скорости изменения телеметрируемых процессов, позволяющая сократить избыточность информационного потока, В этих РТА (ЦРТА), называемых адресными, принят принцип разделения каналов по форме. Обычная радиолиния радиотелеметрической системы, имея определенную достаточно большую пропускную способность, рассчитанную на передачу максимального потока информации, описывающей состояние летательного аппарата в критических аварийных ситуациях, значительную часть времени работы передает избыточную информацию. В адресной радиотелеметрической аппаратуре избыточная информация не поступает в канал связи. При этом необходимая (неизбыточная) информация с каждого источника информации поступает в случайные моменты времени, интервал между которыми оказывается непостоянным (случайным), зависящим от скорости изменения сигналов. Поэтому сигналу с каждого датчика для его распознавания в приемном устройстве присваивается адрес.

Радиотелеметрическую аппаратуру принято характеризовать не только видом и количеством сообщений, но также информативностью – максимальным потоком информации, который может быть передан по каналу связи.

Основную долю погрешностей при радиотелеметрических измерениях (РТИ) вносят датчики. Однако в последние годы датчики, и, особенно, цифровые (частотные) имеют погрешность, сопоставимую с погрешностью радиотелеметрической аппаратуры.

Основными источниками погрешностей радиотелеметрической аппаратуры являются взаимная связь каналов, радиопомехи промышленных и естественных источников, появление переотраженных сигналов, изменение характеристик элементов под влиянием климатических и механических воздействий.

Особенностью цифровой радиотелеметрической аппаратуры является то, что помехи в канале связи сказываются не на точности результатов измерений, а на их достоверности. При обеспечении требуемых энергетических соотношений вероятность искажения символа составляет , а вероятность искажения слова, т.е. получения недостоверного значения результата измерения приближенно оценивается выражением , где n – число символов в слове; Р₀ – вероятность искажения символа.

Радиотелеметрическая аппаратура с временным разделением кадра и разделением по форме имеют еще одну характерную составляющую погрешности, называемую погрешностью интерполяции и связанную с прямым и обратным преобразованием непрерывного сигнала в дискретный.

Дальность действия радиотелеметрической аппаратуры определяется характеристиками радиотракта, включающего передатчик, передающую и приемную антенны, приемник, радиолинию борт – Земля.

Приемная антенна является принадлежностью радиотелеметрической аппаратуры. Приемные антенны современных систем радиотелеметрической аппаратуры обладают сравнительно широкой диаграммой направленности (несколько десятков градусов) и рассчитаны на прием сигнала с произвольной поляризацией. Это необходимо в связи с неопределенностью положения передающей антенны при различных эволюциях самолета. Для обеспечения уверенного приема сигналов при любых положениях летательного аппарата над горизонтом, предусматривается поворот антенны по азимуту на 360° и по углу места в пределах от 0 до 90⁰. При проведении летных испытаний приемную антенну ориентируют максимумом диаграммы направленности в сторону летящего объекта с целью исключения потери мощности сигнала. Эта ориентация осуществляется автоматически или вручную оператором.

Конструкция бортовой антенны и ее размещение на самолете должны удовлетворять ряду требований: диаграмма направленности должна обеспечивать надежный прием на земле при всех возможных маневрах ЛА, а аэродинамическое сопротивление антенны должно быть минимальным.

Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяют четвертьволновые штыревые антенны, располагаемые в передней части самолета вдоль его оси, обеспечивающие вместе с металлическим корпусом малую направленность излучения, или же щелевые антенны определенного количества и ориентации. При выборе места расположения бортовых антенн радиотелеметрической аппаратуры и их конструкции особое внимание обращается на электромагнитную совместимость со штатными радиосредствами.