Способ регистрации и обработки радиотелеметрического сигнала, модулированного по времени
Владельцы патента RU 2444065:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в сокращении потерь телеизмерений. Способ регистрации и обработки радиотелеметрического сигнала, модулированного по времени, включает прием радиотелеметрического сигнала, преобразование его в цифровой вид, регистрацию и анализ с восстановлением временной структуры сигнала и получением массива значений, соответствующих измеряемым параметрам, причем из принятого радиосигнала получают аналоговый видеосигнал, преобразуют его в цифровой вид, в ходе анализа, проводимого по завершению регистрации радиосигнала, определяют единую шкалу времени измерительного процесса и массив интервалов времени между соседними импульсами сигнала, на основании которых восстанавливают временную структуру РТМС. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области телеметрических измерений и может быть использовано, в частности, в многоканальной телеметрии для обработки сигналов с время-импульсной модуляцией.
Известен способ приема, преобразования и регистрации телеметрического сигнала с временным разделением каналов, заключающийся в приеме и преобразовании радиосигнала в видеосигнал, выделении синхросигналов (маркеров), выделении измерительной информации, формировании сигналов времени с последующей регистрацией всей информации на магнитный носитель (Системный анализ измерительных комплексов. / В.В.Васильев, Н.Б.Резвецов, А.В.Аношкин и др. - М.: РВСН, 1994 г, с.172-173).
Недостатком этого способа является регистрация сигнала после выполнения процедур детектирования, синхронизации и демодуляции, что в условиях воздействия сильных шумов приводит к возникновению больших погрешностей, которые превышают допустимые значения. Это приводит к некачественной оценке временной структуры телеметрического сигнала решающим устройством, искажению передаваемой телеметрической информации, и, как следствие, к недостоверным результатам телеизмерений или их полной потере. Погрешности в системе символьной синхронизации (канальной синхронизации) приводят к погрешностям в определении времени передачи символов (канальных интервалов). Когда величина погрешности не превышает временной длительности символа (канального интервала), она влияет только на работу решающего устройства, увеличивая вероятность ошибочного решения (погрешности оценки параметра). Появляющиеся ошибочные решения приводят к тому, что в выходные массивы информации попадают недостоверные результаты измерений, которые невозможно подвергнуть последующей постобработке с целью их исправления. Погрешности символьной (канальной) синхронизации, превышающие длительность символа (канального интервала), а также ошибки в системе синхронизации, по словам и кадрам, вызывают неверное разделение информации. Это приводит к полной потере телеметрических измерений (выборок) на сбойных участках.
Сбои в радиотелеметрическом сигнале (РТМС) проявляются в виде отсутствия истинных или появления ложных импульсов. Это может быть вызвано множеством факторов, включая интерференцию радиосигнала при его многолучевом распространении, отражении от различных металлических конструкций, зданий, сооружений, высокие скорости движения источника радиосигнала и сбои в работе передающей аппаратуры на участке нагружения объекта испытания.
Известен «Способ приема, преобразования и регистрации телеметрического сигнала с временным разделением каналов», выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что радиотелеметрический сигнал принимают, преобразуют в цифровой вид, регистрируют и анализируют с восстановлением временной структуры радиотелеметрического сигнала и получением массива значений, соответствующих измеряемым параметрам (Патент RU №2338261, МПК9 G08C 15/06, опубл. 10.11.2008, бюллетень №31).
В данном способе регистрация телеметрического сигнала осуществляется до выполнения процедур детектирования, синхронизации и принятия решения о передаваемом сообщении и на этапе анализа зарегистрированных данных реализуется восстановление временной структуры сигнала методом накопления, который предполагает при приеме последовательности радиоимпульсов квадратурное суммирование огибающих взаимной корреляционной функции принимаемого сигнала и эталонного маркера.
Это техническое решение имеет ряд недостатков, обусловленных спецификой проведения телеизмерений и относительной сложностью алгоритма обработки сигнала. В связи с высокой частотой опроса входного сигнала на промежуточной частоте, в случае длительных телеметрических измерений, с непрерывным сохранением всего процесса, требуются большие объемы памяти для регистрации массивов информации. Регистрируемые данные не привязаны к единой шкале времени и не обеспечивается непрерывная регистрация всего измерительного процесса для проведения полного анализа получаемой информации.
Заявляемый способ направлен на решение технической задачи приема, регистрации и обработки радиотелеметрического сигнала с время-импульсной модуляцией.
Техническим результатом использования заявляемого способа является сокращение потерь телеизмерений, вызываемых, в том числе, искажениями радиосигнала при его многолучевом распространении и сохранение единой шкалы времени эксперимента, даже при наличии сбоев информации.
Техническая задача решается следующим образом. В заявляемом способе регистрации и обработки радиотелеметрического сигнала, модулированного по времени, включающем прием радиотелеметрического сигнала, преобразование его в цифровой вид, регистрацию и анализ с восстановлением временной структуры сигнала и получением массива значений, соответствующих измеряемым параметрам, в отличие от прототипа, принятый радиосигнал вначале преобразуют в аналоговый видеосигнал, а затем в цифровой вид. Анализ радиосигнала производят по окончании его регистрации. В ходе анализа определяют единую шкалу времени измерительного процесса и массив интервалов времени между соседними импульсами сигнала, на основании которых восстанавливают временную структуру РТМС, при этом в массиве зарегистрированных интервалов времени выделяют кадровые паузы, определяют суммарные интервалы времени от предыдущей кадровой паузы до текущей, кратные априорно известной длительности кадра РТМС, выделяя, таким образом, последовательность кадров. Затем внутри каждой найденной последовательности кадров путем суммирования временных интервалов и проверки длительности получаемого суммарного интервала на кратность априорно известной длительности канального интервала осуществляют поиск последовательности канальных интервалов, из которых выделяют измерительные интервалы, соответствующие измеряемым параметрам, с привязкой их к единой шкале времени измерительного процесса.
Восстановление временной структуры радиотелеметрического сигнала может быть проведено с восстановлением отсутствующих опорных импульсов сигнала на основе априорной информации о структуре кадра.
Регистрация сигнала сразу после его преобразования в аналоговый видеосигнал (после детектирования) позволяет сохранять РТМС в исходном, некорректированном виде, что в свою очередь дает возможность производить многократную обработку данной информации с различными параметрами с целью получения наилучшего результата. Представление РТМС в виде двух массивов (единой шкалы времени и массива интервалов времени между соседними импульсами видеосигнала) позволяет быстро и эффективно производить обработку информации, а также сохранять временную шкалу эксперимента даже при нарушениях структуры РТМС. Реализация алгоритма, основанная на поиске интервалов времени, кратных априорно известной длительности соответствующих структурных элементов информации (кадр, канальный интервал), делает алгоритм обработки достаточно простым и эффективным.
Изобретение поясняется чертежами. На фигуре 1 изображена структура кадра радиотелеметрического сигнала; на фигуре 2 - графические представления регистрируемых сигналов (а - исходный аналоговый видеосигнал; б - преобразование видеосигнала в квантованные значения напряжения; в - преобразование видеосигнала в квантованные значения временных интервалов между соседними импульсами); на фигуре 3 - виды внутрикадровых сбоев (а - структура без сбоев; б, в - структуры с внутрикадровыми сбоями); на фигуре 4 - виды межкадровых сбоев (а - структура без сбоев; б, в, г, д - структуры с межкадровыми сбоями); на фигуре 5 - пример РТМС, получаемого в ходе эксперимента (а - полученный аналоговый видеосигнал без сбоев; б -полученный аналоговый видеосигнал со сбоями); на фигуре 6 - графики измеряемых параметров, полученные с помощью заявляемого способа и способа, в котором регистрацию РТМС проводят в реальном времени эксперимента.
Способ регистрации и обработки радиотелеметрического сигнала, модулированного по времени, реализуется следующим образом.
При передаче РТМС используется система ВИМ-АМ, т.е. система с временным разделением каналов, где положение импульса модулируется (по времени) в соответствии с информацией в каждом канале и с амплитудной модуляцией несущей частоты. Таким образом, непрерывная форма первичного сообщения заменяется при передаче дискретной (фиг.1.) и передаваемым параметром становится временной интервал между опорным 1 и измерительным импульсом 2 (так называемый измерительный интервал 4), в соответствующем канальном интервале 5. Совокупность N дискретных сообщений составляет кадр информации (фиг.1.), конец которого при передаче кодируется путем исключения измерительного импульса 2 в соответствующем канале (кадровая пауза 3). Сформированное многоканальное сообщение передается по радиоканалу. Приемная аппаратура (приемная антенна, антенный усилитель и радиоприемник) принимает и усиливает радиосигнал. Далее принятый радиосигнал с помощью демодулятора преобразуется в полезный аналоговый видеосигнал (фиг.5, а).
Полученный аналоговый видеосигнал преобразуют в цифровой вид двумя известными способами. В первом способе, например, при помощи измерителя временных интервалов В-471 (Руководство по эксплуатации. ФДБИ.106.00.00.00РЭ. Беларусь УП «Унитехпром» БГУ), видеосигнал может быть преобразован в последовательность дискретных значений интервалов времени между импульсами (фиг.2, в). Эти значения получаются заполнением интервалов между импульсами видеосигнала отсчетами высокой частоты для обеспечения достаточного разрешения. Данный способ позволяет значительно сократить объем регистрируемых данных благодаря тому, что одному интервалу времени межу двумя соседними импульсами соответствует одно цифровое значение. При высоком уровне помех в радиоканале, вызываемых многолучевым распространением радиосигнала или иными причинами, данный способ может работать некорректно, «теряя» импульсы РТМС, имеющие недостаточные амплитудные и энергетические характеристики (фиг.5, б). В этом случае может быть применен другой известный способ преобразования аналогового видеосигнала в цифровой вид, заключающийся в формировании потока данных, представляющих собой квантованные значения видеосигнала, соответствующие его мгновенным амплитудным значениям в равноотстоящие моменты времени, посредством его временной дискретизации (фиг.2, б). Объемы регистрации при этом возрастают, т.к. частота дискретизации видеосигнала выше частоты следования импульсов РТМС, но при этом регистрируются все импульсы, вне зависимости от их характеристик.
В реальном времени полученный цифровой сигнал регистрируют в ПЭВМ. По окончании регистрации приступают к анализу и обработке информации.
В ходе анализа информацию представляют в виде двух массивов: единой шкалы времени измерительного процесса и массива интервалов времени между соседними импульсами сигнала, на основании которых восстанавливают временную структуру РТМС.
Алгоритм обработки РТМС основан на поиске последовательностей интервалов, признающихся достоверными последовательностями кадров, если удовлетворяют следующим условиям:
- последовательность интервалов состоит из числа канальных интервалов 5, кратных количеству каналов РТС;
- длительность последовательности интервалов кратна длительности кадра в заданном допуске;
- длительность канального интервала 5, состоящая из суммы значений длительностей интервалов между каждым импульсом, находящимся в канальном интервале 5, находится в заданном допуске;
- в последнем канальном интервале 5 последовательности импульсов отсутствуют измерительные импульсы 2 (кадровая пауза 3).
Первым этапом обработки РТМС является выделение последовательности кадров в массиве зарегистрированной информации.
Поиск последовательности кадров заключается в поиске кадровой паузы 3 в зарегистрированном массиве интервалов времени и при ее нахождении проверке суммарного интервала, от предыдущей найденной кадровой 3 паузы до текущей, на кратность априорно известной длительности кадра РТМС. Частным случаем последовательности кадров может быть один кадр. При нахождении кадровой паузы 3 и кратности суммарного интервала априорно известной длительности кадра Tk найденную суммарную последовательность признают удовлетворяющей условиям достоверности кадров РТМС. Необходимость поиска не одного, а нескольких, идущих друг за другом, кадровых интервалов продиктована возможным наличием межкадровых сбоев, при которых невозможно найти кадровую паузу 3 каждого кадра (фиг.4). К межкадровым сбоям относятся: присутствие в кадровой паузе 3 ложных измерительных импульсов 2 (фиг.4, б); отсутствие одного или обоих опорных импульсов 1, образующих кадровую паузу 3 (фиг.4, в, г, д).
В найденной последовательности кадров осуществляют поиск последовательностей канальных интервалов 5.
Для поиска последовательности канальных интервалов 5 в найденной последовательности кадров выполняют суммирование интервалов и проверку получаемого таким образом суммарного интервала на кратность априорно известной длительности канального интервала 5. Найденная последовательность, из-за наличия внутрикадровых сбоев, может состоять из нескольких канальных интервалов 5 (фиг.3). К внутрикадровым сбоям относятся: присутствие внутри кадра одного или нескольких канальных интервалов 5, в которых отсутствует измерительный импульс 2 (фиг.3, б); отсутствие опорных импульсов 1 внутри кадра (фиг.3, в). При кратности суммарного интервала канальному интервалу 5 фиксируют начальное время последовательности канальных интервалов 5 и в ней начинают поиск измерительных интервалов 4.
В ходе обработки РТМС на сбойных участках производят восстановление опорных импульсов на основе априорно известной структуры кадра. Структура кадра является постоянной и неизменной для каждой РТС, поэтому опорные импульсы имеют строго определенное положение в кадре с заданными допусками. На основании этого определяют их место и время в текущем кадре, с привязкой к единой шкале измерительного процесса. Дальнейшую обработку информации проводят с учетом восстановленных таким образом опорных импульсов.
Последним этапом обработки является поиск в найденной последовательности канальных интервалов 5 измерительных интервалов 4 и моментов времени, соответствующих их началу. В канальном интервале 5 может присутствовать несколько измерительных импульсов 2 (истинный и ложные), каждый из которых будет определять свой измерительный интервал 4. Длительность этих интервалов определяют относительно переднего опорного импульса 1 канала.
Описанный алгоритм обработки позволяет сохранять единую шкалу времени эксперимента, надежно выделять измерительную информацию из зарегистрированного РТМС и восстанавливать ее при отсутствии опорных импульсов на основе априорной информации о структуре кадра. Это позволяет получить информацию об измеряемых параметрах на участках с высоким уровнем помех, где применение обработки в реальном времени привело бы к потере информации.
По завершении обработки создают массивы, каждый из которых содержит текущее время эксперимента и соответствующее этому времени значение измеряемого параметра, зарегистрированное по одному из измерительных каналов. Эти массивы помещают в выходной файл.
Работоспособность способа и достигаемый технический результат проверялись сравнением результатов регистрации и обработки РТМС с помощью заявляемого и способа, основанного на регистрации и обработке радиотелеметрической информации в реальном масштабе времени, описанного в книге «Системный анализ измерительных комплексов» (В.В.Васильев, Н.Б.Резвецов, А.В.Аношкин и др. - М.: РВСН, 1994 г, с.172-173).
Результаты регистрации и обработки РТМС, полученные с использованием заявляемого способа и способа основанного на регистрации и обработке информации в реальном масштабе времени, приведены на фиг.6 в виде графиков измеряемых параметров. Видно, что на наиболее информативном участке, несущем важную информацию о характере изменения физического параметра, при обработке РТМС в режиме реального времени наблюдается потеря информации, вызванная значительным увеличением количества сбоев. Информация, зарегистрированная после осуществления обработки, уже не может быть восстановлена. При обработке РТМС с помощью заявляемого способа удается получить достоверную информацию на участках со сбоями структуры сигнала время-импульсной последовательности, вызванными не только интерференционными искажениями, но и на этапе взаимодействия объекта испытания с преградой, вплоть до отказа бортовой радиопередающей аппаратуры. Это достигается постобработкой исходной информации, регистрируемой после преобразования ее в аналоговый видеосигнал, с использованием совокупности оптимальных параметров (априорно известные длительность кадра, защитного интервала, допустимое отклонение, и т.п.), определенных в ходе предварительного анализа РТМС.
Сравнение двух способов регистрации и обработки информации позволяет сделать вывод о технической реализуемости предлагаемого способа, его работоспособности, достоверности и эффективности, заключающейся в получении большего объема достоверной информации.
При практическом применении способа подтверждены его возможности и преимущества, заключающиеся в обеспечении полной непрерывной регистрации всего измерительного процесса с привязкой регистрируемых данных к единой шкале эксперимента, относительно простой реализации способа и его высокой эффективности.
1. Способ регистрации и обработки радиотелеметрического сигнала, модулированного по времени, заключающийся в том, что радиотелеметрический сигнал (РТМС) принимают, преобразуют в цифровой вид, регистрируют и анализируют с восстановлением временной структуры сигнала и получением массива значений, соответствующих измеряемым параметрам, отличающийся тем, что из принятого радиосигнала получают аналоговый видеосигнал, преобразуют его в цифровой вид, в ходе анализа, проводимого по завершению регистрации радиосигнала, определяют единую шкалу времени измерительного процесса и массив интервалов времени между соседними импульсами сигнала, на основании которых восстанавливают временную структуру РТМС, при этом в массиве зарегистрированных интервалов времени выделяют кадровые паузы, определяют суммарные интервалы времени от предыдущей кадровой паузы до текущей, кратные априорно известной длительности кадра РТМС, выделяя, таким образом, последовательность кадров, затем внутри каждой найденной последовательности кадров путем суммирования временных интервалов и проверки длительности получаемого суммарного интервала на кратность априорно известной длительности канального интервала определяют последовательности канальных интервалов, из которых, в свою очередь, выделяют измерительные интервалы, соответствующие измеряемым параметрам, с привязкой к единой шкале времени измерительного процесса.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление временной структуры радиотелеметрического сигнала производят с восстановлением отсутствующих опорных импульсов сигнала на основе априорной информации о структуре кадра.
