Применение SDR-приемников для приема телеметрической информации

Слово «телеметрия» в переводе с греческого языка в буквальном смысле означает «далеко измерять» (измерять на расстоянии). В общем случае телеметрия – это совокупность разнообразных методов получения необходимой информации об удаленных объектах. Современная телеметрия позволяет разрешить вопросы о получении, преобразовании, передаче и обработке измеряемой информации, используемой при управлении, изучении объектов. Она широко применяется в следующих областях: метеорология, медицина, геофизика, сельское хозяйство, водоснабжение, водоотведение, оборона и космос [3].

В ракетно-космической отрасли телеметрия используется для сбора данных с ракет космического назначения (РКН), ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА). Для анализа и улучшения летно-технических характеристик систем и объекта в целом, оценки эффективности функционирования систем необходима информация о критичных параметрах. Поскольку РКН, РН находятся на далеком расстоянии от обслуживающего персонала, контроль состояния объекта и его систем возможен с использованием телеметрии. Необходимо отметить, что при пуске РН отслеживаются сотни параметров, таких как давление в баках горючего, температура, ускорение, уровень вибрации и прочее.

Рассмотрим процесс приема телеметрической информации с бортовых аппаратур РКН, РН и КА.

Для приема телеметрической информации используется антенно-фидерное устройство (АФУ) с блоками антенных усилителей (БАУ) комплекса космической связи. Для сужения зоны поиска сигнала по частоте и снижения тем самым порогового значения энергетического потенциала используется управляемая аппаратура коммутации трактов (УАКТ). Далее сигнал попадает в малогабаритную приемно-регистрирующую станцию (МПРС), где производятся физическое преобразование аналогового сигнала, прием и оцифровка аналогового сигнала и предоставление сигнала в комплексном виде, после чего комплексный оцифрованный сигнал преобразуется в набор бит с помощью демодулятора. Весь поток телеметрической информации в конечном итоге поступает на устройство сбора и декоммутации (УСД) [2]. На рисунке 1 представлена схема описания системы приема телеметрической информации.

Рисунок 1. Процесс приема и сбора телеметрической информации

Станция МПРС ЯГАИ.464349.015-01 предназначена для обработки входного сигнала на основании используемых модуляций при передаче, выделения телеметрических структур (синхронизация борта), измерений, записи демодулированного сигнала и выделенных измерений, передачи телеметрической информации (ТМИ) удаленным потребителям.

Принцип работы МПРС:

1) станция МПРС предназначена для приема и регистрации сигналов ТМИ с разнесением по поляризации или по частоте бортовой аппаратуры (БА) систем;

2) на вход штатного АФУ поступает радиосигнал в структуре кадра рабочих радиотелеметрических систем. Для уменьшения вероятности потери ТМИ каждой из систем применяется способ приема одной и той же информации на различных поляризациях;

3) далее происходит предварительное усиление радиосигнала.

Коэффициент усиления выбирается из соображений компенсации потерь в фидерном тракте от выхода АФУ до входов приемных устройств.

На штатных измерительных пунктах (ИП) и технических позициях (ТП) сигналы должны (могут) подаваться через приборы – коммутаторы высокочастотного сигнала;

4) в каждом из каналов станции происходит дополнительное усиление принятого сигнала, перенос на промежуточную частоту, фильтрация и усиление сигнала на промежуточной частоте (ПЧ);

5) с выхода приборов каждого из каналов станции сигнал ПЧ поступает на вход аппаратуры демодуляции и обработки сигнала, которые осуществляют детектирование принятого сигнала, его оптимальную обработку, формирование сигнала АРУ, формирование унифицированного кадра данных ТМИ для передачи в средства регистрации, отображения и первичной обработки станции.

В процессе оптимальной обработки принимаемого сигнала в каждом из каналов станции проводится анализ качества сигнала и по результатам анализа выбирается сигнал той поляризации, который имеет лучшее качество;

6) на выходе ТМИ поступает на вход аппаратуры управления, регистрации, отображения и первичной обработки ТМИ.

Аппаратура включает в себя 3 промышленных ПЭВМ с одной клавиатурой и одной мышью, один цветной жидкокристаллический монитор, сетевой коммутатор, источник бесперебойного питания.

ПЭВМ № 1 предназначена для управления приборами и имитаторами станции, первичной обработки и отображения принимаемой ТМИ, приема сигналов GPS, СЕВ, в том числе видеосигналов.

ПЭВМ № 2, ПЭВМ № 3 предназначены для управления приборами станции и регистрации потоков принимаемой ТМИ, выдачи ТМИ через сетевой коммутатор в ССПД.

Аппаратура управления, регистрации и обработки ТМИ:

• формирует необходимые сигналы для установки режимов работы составных частей станции как при подготовке к сеансу, так и в процессе сеанса связи, осуществляет постоянное наблюдение за состоянием основных узлов аппаратуры, обеспечивает операторов необходимыми текущими данными о готовности, работоспособности и неисправностях;
• регистрирует, привязывает к сигналам времени, отображает и проводит первичную обработку информации. Для привязки принимаемой информации к единому времени используются сигналы времени от встроенного приемника GPS или внешней аппаратуры СЕВ;
• выдает данные в ЛВС и в аппаратуру ССПД.

По окончании сеанса связи обеспечивается последовательное воспроизведение данных, заре­гистрированных в процессе предшествующих сеансов связи, выдачу их в линию связи.

Недостатками существующей системы являются:

1. использование длинных кабельных линий для передачи аналогового сигнала от антенны к МПРС, что приводит к затуханию сигнала;
2. большое количество персонала необходимого для работы на станциях;
3. малое число приемно-регистрирующих станций, что приводит к невозможности использования антенн в полном объеме;
4. ограничение по низкоуровневому доступу к информации, регистрируемой на станции;
5. существующие станции не позволяют выполнять работы по перспективным, разрабатываемым РКН;
6. высокая стоимость продления ресурса эксплуатирующихся станций.

Для устранения указанных недостатков предлагается применение SDR-приемников для преобразования и оцифровки сигнала. Остальные функции (запись входного сигнала, фильтрацию сигнала, демодуляцию сигнала, восстановление фазы сигнала, выделение структуры ТМИ) будут выполняться на ПЭВМ. На рисунке 2 представлена схема предлагаемой системы приема и обработки телеметрической информации.

Рисунок 2. Схема приема телеметрической информации

Программно определяемое радио (softwaredefinedradio, SDR) – это технология, позволяющая программно изменять радиочастотные параметры приемника.

В общем случае в состав SDR входят: приемная антенна, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), преобразователь частоты, средство обработки сигнала. Функциональная схема SDR-приемников представлена на рисунке 3 [1].

Рисунок 3. Функциональная схема SDR-приемников

Можно выделить следующие преимущества применения SDR-приемников (схема процесса приема и сбора телеметрической информации с применением SDR-приемника показана на рисунке 4):

• SDR-приемник компактен и легок, что позволяет устанавливать его непосредственно на антеннах, таким образом, это позволит отказаться от передачи аналогового сигнала в кабельных линиях;
• так как процесс демодуляции цифрового сигнала осуществляется на ПЭВМ, появляется возможность фиксировать и передавать для обработки качество принятого сигнала (на основании пар-расигнал.шум);
• перенос демодуляции и обработки на ПЭВМ позволяет свести модернизацию станции к обновлению программного обеспечения и не требует дополнительных трудозатрат;
• применение SDR-приемника позволит выполнять прием и регистрацию ТМИ на одном сервере с работой одного оператора;
• SDR-приемник потребляет меньше электроэнергии;
• SDR-приемники имеют низкую стоимость.

Рисунок 4. Схема процесса приема и сбора телеметрической информации с применением SDR-приемника

Таким образом, система с использованием SDR-приемников будет иметь следующие преимущества:

• замена дорогого в эксплуатации оборудования более дешевым;
• уменьшение длины тракта за счет отказа от линий от УАКТ к станциям за счет установки сервера с подключенными SDR-приемниками. Для каждого приемника запускаются отдельная программа обработки сигнала и программа формирования потока ТМИ;
• возможность обработки нескольких ТМИ потоков;
• уменьшение числа операторов на станции.

Данный подход позволяет отказаться от УАКТ и длинных линий тракта за счет установки в антенне ПЭВМ и приемника. Однако в таком случае необходимо поддержание микроклимата для работы ПЭВМ в антенне. Также необходимо проведение дополнительных линий ЛВС.

В предлагаемой схеме цифровая обработка сигнала производится на ПЭВМ, подключенной через SDR-приемник к антенне, а формирование ТМИ происходит на отдельном сервере. Данный подход позволяет отказаться от передачи аналогового сигнала в тракте в пользу передачи цифрового демодулированного сигнала по ЛВС. Также появляется возможность проведения дополнительной обработки на сервере.