ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СООБЩЕНИЙ ОТ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ К УДАЛЕННОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G08C15/12 A61B7/04 

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение в целом относится к удаленному контролю и диагностике, а точнее относится к телеизмерению диагностических сообщений от подвижных объектов к удаленному центру обслуживания. Одним вариантом реализации данного изобретения является система для телеизмерений, в которой используют бортовые датчики и устройства для телеизмерений, предназначенные для передачи данных технического обслуживания (такой как данные о работе двигателя летательного аппарата) от летательного аппарата в полете к наземному центру обслуживания.

Удаленный контроль и диагностика условий, производительности и отказов деталей, оборудования и систем, установленных на подвижных объектах, таких как летательные аппарата, турбины, локомотивы и медицинские системы, становится все более важным по мере того, как промышленность борется за увеличение безопасности, снижение стоимости технического обслуживания и предоставление своевременных и экономически эффективных услуг технического обслуживания потребителям. По этой причине услуги удаленного технического обслуживания сегодняшний ориентированный на услуги бизнес рассматривает в качестве важной области для расширения. Способность к удаленному контролю и диагностике быстро становится ключевым элементом при предоставлении высокотехнологичных услуг с образованием добавочной стоимости по отношению к установленной базе оборудования, причем база оборудования может включать подвижные объекты, такие как оборудование для генерации энергии, двигатели летательных аппаратов, медицинские системы визуализации и локомотивы.

Путем контроля работы такого оборудования и систем могут быть получены сведения о неисправностях систем. За счет выработки диагностических сообщений, которые содержат информацию о неисправных системах, достигают такой меры безопасности, которая может представлять исключительную важность гарантий, требуемой способности работы системы. Кроме того, такую информацию можно использовать для инициирования цикла технического обслуживания до того, как включать систему в последующий рабочий цикл.

Системы управления таких устройств, как турбины, используемые для генерации электричества, или турбины, используемые в двигателях летательных аппаратов, обычно контролируют разнообразные параметры работы турбины, включая скорость, температуры и усилия в узлах турбины. Системы, известные из техники, обеспечивают эти параметры для контроля в полете. Однако многие из проблем, связанных с передачей этих параметров в наземные центры обслуживания при нахождении летательного аппарата в воздухе, еще ждут своего решения.

Важная проблема, с которой сталкиваются в технике беспроводной цифровой передачи параметров работы, относится к частоте, и, что более существенно, к мощности, с которой устройства для телеизмерений могут передавать радиочастотные сигналы. До принятия Федеральной Комиссией по связи (ФКС) Части 15.247 Правил и инструкции ФКС, системы для телеизмерений летательных аппаратов были в основном ограничены диапазоном ОВЧ (174-216 МГц) и могли работать только на очень низких мощностях передачи менее 0,12 милливатт (мВт). (См. ФСК Часть 15.241). Это ограничение мощности передачи существенно ограничило радиус передачи (т.е. максимальное расстояние между передатчиком и приемником) бортовых устройств телеизмерений. Ограничения также лимитируют скорость передачи данных или "полосу пропускания", при которой устройства для телеизмерений могут передавать данные.

Из-за этих факторов диапазоны частот, пригодные для передачи информации от летательного аппарата на землю и наоборот, ограничены. Кроме того, существует возрастающая потребность новых типов связи, таких как голосовая связь, которые используют эти имеющиеся регулируемые диапазоны. Добавление каналов диагностической информации часто требует изменений конструкции летательного аппарата для установки дополнительных антенн. Из-за стоимости таких конструктивных изменений и периодических издержек на получение времени для передачи данных о ходе полета в регулируемых частотных диапазонах, имеется настоятельная необходимость в усовершенствованных системах и способах передачи диагоностической информации летательного аппарата от летательного аппарата к наземной станции.

Патентная заявка FR 2693068, опубликованная 31 декабря 1993 г., раскрывает систему для телеизмерений, предназначенную для передачи сообщений о состоянии от передатчика на борту подвижного судна к приемному устройству на земле. Заявка ЕР 0292811, опубликованная 30 ноября 1988 г., раскрывает устройство для контроля транспортного средства и систему передачи сообщений от транспортного средства к базе.

Сущность изобретения
Устройство для телеизмерений содержит процессор, связанный с выходом одного или нескольких датчиков условий; причем процессор конфигурирован для преобразования выходного сигнала с одного или нескольких датчиков условий в диагностическое сообщение, и для выработки диагностического сообщения на выходе процессора; передатчик, связанный с выходом процессора, причем передатчик конфигурирован для передачи диагоностического сообщения в разночастотном диапазоне, отличается тем, что содержит приемник, связанный с процессором, причем приемник конфигурирован для приема диагностических сообщений передаваемых в радиочастотном диапазоне.

Система для телеизмерений содержит устройство для телеизмерений, которое описано выше, установленное на борту подвижного объекта; и удаленную станцию, содержащую приемник для приема переданных сообщений; процессор станции для обработки переданных сообщений; причем выходной сигнал удаленной станции предназначен для предоставления информации, связанной с характеристикой указанного объекта, устройству, предназначенному для использования этой информации.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - иллюстративная блок-схема системы для телеизмерений в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 2 - блок-схема устройства для телеизмерений в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.

Фиг.3 изображает пример круга покрытия от летательного аппарата на высоте 6096 метров.

Фиг. 4 - иллюстративная схема, изображающая множество удаленных станций, конфигурированных в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 5 изображает примерные спецификации подвижного объекта для связи с удаленной станцией в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг.6 изображает примерные спецификации наземной станции для связи с подвижным объектом в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 7 изображает пример формата диагностического сообщения в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения
Система 10 для телеизмерений в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения изображена на фиг.1 и 2, cистема 10 для телеизмерений содержит устройство 100 для телеизмерений, передатчик 118 и удаленную станцию 200. Устройство 100 для телеизмерений установлено на подвижном объекте, таком как летательный аппарат 20, локомотив 22, корабль 24 или т.п., и конфигурировано для контроля состояния объекта, на котором оно установлено. Устройство 100 для телеизмерений в сочетании с передатчиком 118 передает сообщения, называемые здесь диагностическими сообщениями, содержащие информацию о состоянии и работе объекта, на удаленную станцию 200. Термин "состояние" относится к состоянию готовности или пригодности к работе объекта или отдельного компонента объекта.

В соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения диагностические сообщения передают непосредственно от объекта, такого как летательный аппарат 20, (называемый здесь отправителем), на удаленную станцию 200 (называемую здесь адресатом). В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения диагностические сообщения передают последовательно от объекта-отправителя, такого как летательный аппарат 20, к последующему объекту, такому как летательный аппарат 21, и в некоторых случаях от последующего объекта к другому последующему объекту, и так далее до тех пор, пока диагностическое сообщение не достигнет удаленной станции 200 адресата.

Пример формата, пригодного для диагностических сообщений, изображен на фиг. 7. Формат сообщения содержит синхронизирующий заголовок, биты адреса, биты приоритета, если необходимо, поле данных, флаг шифрования, являющийся признаком наличия или отсутствии шифрования данных в поле данных и поле для обнаружения ошибки.

Диагностические сообщения передают между объектами-отправителями, последующими объектами и удаленными станциями-адресатами посредством нисходящих линий 45 передачи. Нисходящие линии 45 в соответствии с настоящим изобретением являются каналами связи, содержащими нелицензируемые передаваемые данные, данные, передаваемые в диапазоне частот Промышленной Научной Медицинской аппаратуры (ПНМ). Три ПНМ диапазона существуют сейчас в Соединенных Штатах для применения в способах передачи с расширенным спектром: 902-928 МГц, 2400-2483,5 МГц и 5725-5850 МГц.

Соответственно, передатчик 110 в соответствии с одним вариантом реализации изобретения предназначен для передачи в диапазоне частот ПНМ. В одном варианте реализации данного изобретения линии 45 передачи дополнительно содержат радиочастотные каналы не-ПНМ диапазона, такие как лицензируемые Федеральной Комиссией по связи (ФКС).

В одном из вариантов реализации изобретения устройство 100 для телеизмерений устанавливают на летательном аппарате 20. Устройство 100 для телеизмерений контролирует состояние одного или нескольких реактивных двигателей летательного аппарата 20 и передает сообщения, содержащие информацию о работе летательного аппарата, от летательного аппарата 20 к удаленной станции 200. Удаленная станция 200 использует информацию, содержащуюся в сообщениях, для того, чтобы получить данные о работе двигателя, определить и предугадать условия отказа, и, в одном варианте реализации изобретения, передать корректирующие сигналы на летательный аппарат 20 через восходящую линию 30 передачи данных коррекции или компенсации условий отказа. В одном из вариантов реализации изобретения восходящая линия 30 передачи данных содержит передачу в диапазоне ПНМ. В другом варианте реализации изобретения восходящая линия 30 передачи данных содержит команды и данные в лицензируемом ФКС радиочастотном диапазоне.

Как легко поймут специалисты в данной области техники, изобретение не ограничено устройствами для телеизмерений летательных аппаратов и удаленными станциями. Кроме того, устройства для телеизмерений согласно данному изобретению могут быть установлены на любой подвижный объект, а сообщения направлены на удаленную станцию, такую как спутник, борт судна или другую приемную станцию, не являющуюся наземной.

Устройство 100 для телеизмерений, согласно одному варианту реализации изобретения, изображено на блок-схеме фиг.2. Устройство 100 для телеизмерений содержит в качестве основных компонентов передатчик 118, приемник 116, процессор 150 диагностических сообщений, устройство 152 памяти, дисплей 190 и датчики 320 условий, как показано на фиг.2. Датчики 320 условий контролируют условия работы и параметры, такие как скорость турбины и температура выхлопного газа.

В одном варианте реализации устройство 100 для телеизмерений реализовано с помощью оборудования авиационной электроники, уже установленной на летательном аппарате 20, например ОВЧ или СВЧ приемопередатчиков для других применений авиационной электроники, лицензированных ФКС для работы в радиочастотных диапазонах. Например, блоки приемопередатчиков Очень Высокой Частоты (ОВЧ), не используемые над океаном, когда нет прямой видимости с наземной станцией, могут быть применены для передачи и приема диагностических сообщений на лицензированных частотах во время периодов, когда эти ОВЧ приемопередатчики неактивны. В одном варианте реализации изобретения передатчик 118 содержит ПНМ модем такого типа, который уже имеется в продаже.

В одном из вариантов реализации данного изобретения устройство 100 для телеизмерений содержит маломощный 2,4 ГГц ПНМ приемопередатчик, представленный на фиг.2 в виде приемника 116 и передатчика 118. Приемник 116 и передатчик 118 содержат модемы, использующие обычные модуляционные схемы с расширенным спектром прямой последовательности для непосредственной модуляции несущей информацией диагностических сообщений. Такие схемы могут быть реализованы в синхронном режиме или в режиме переданного опорного сигнала для ослабления издержек, связанных с синхронизацией.

Вариант реализации изобретения, связанный с ПНМ диапазоном, основывается на использовании в режиме полета 2,4 ГГц диапазона ПНМ 2,4-2,4835 ГГц. Для применения в этом варианте реализации имеются в продаже наборы микросхем, такие как набор Harris PRISM (торговая марка), и широкая номенклатура вспомогательной электроники. Например, один из вариантов реализации изобретения использует способы с расширенным спектром для непосредственной модуляции несущей с целью поддержания коэффициента расширения, по меньшей мере, 10, как требует инструкция ФКС Соединенных Штатов. Набор микросхем Harris PRISM расширяет спектр с коэффициентом 11 и программируется до достижения коэффициента 16, что делает его предпочтительным для реализации настоящего изобретения. Альтернативный вариант реализации настоящего изобретения применяет приемопередатчики диапазона 5,7 ГГц.

В таблице показаны примерные спецификации линии передачи, разработанные путем моделирования линии передачи между объектами в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения. В соответствии с примером, показанным в таблице, линия передачи между двумя самолетами в 2,4 ГГц ПНМ диапазоне, в котором самолеты находятся на минимальной крейсерской высоте 6096 метров и находятся на расстоянии прямой видимости 643,6 км друг от друга, обеспечит линию передачи между двумя самолетами около 1,2 килобит в секунду без кодирования при частоте появления ошибок в битах не более 10^-5. В альтернативном варианте реализации изобретения линия передачи работает с переменной скоростью передачи данных в зависимости от имеющегося энергетического запаса линии передачи. В этом случае оба конца линии передачи конфигурированы таким образом, чтобы наблюдать за полученными частотами появления ошибок, рассчитанными для групп известных битов или для наблюдения различных частот появления ошибочных контрольных сумм, и увеличивать или уменьшать скорость передачи данных соответственно.

На фиг. 5 показаны образцовые спецификации линии передачи объект-удаленная станция, в которой удаленной станцией является наземная станция.

На фиг. 6 показаны образцовые спецификации линии передачи от удаленной станции до объекта, причем удаленная станция является наземной станцией, а объект является летательным аппаратом.

Устройство 100 для телеизмерений дополнительно содержит устройство 152 памяти для чтения и записи. Устройство 152 памяти для чтения и записи, которое является динамической памятью с произвольной выборкой в одном из вариантов реализации изобретения, осуществляет запоминание поступающих сообщений для ретрансляции и хранит историю результатов измерения эксплуатационных данных системы. Результаты измерений эксплуатационных данных системы содержат, но не ограничены, измерения, выбранные из группы, содержащей количество и объем успешно принятых сообщений, количество успешно переданных сообщений, распределение времени ожидания, т.е. гистограмму интервалов времени, в течение которых успешно принятые сообщения запоминались принимающим летательным аппаратом до тех пор, пока они не были успешно ретранслированы, показатели качества линии передачи, такие как оценки отношения сигнал/шум, и эффективность протокола передачи, например количество повторных попыток передачи на сообщение.

Система 100 для телеизмерений информации от летательного аппарата в полете к наземной станции в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения обычно содержит множество подвижных объектов, называемых ниже узлами, находящимися в радиосвязи друг с другом. Каждый узел может быть выбран из группы, содержащей летательный аппарат, наземные транспортные средства, такие как железнодорожные локомотивы, корабли, наземные передающие или приемные станции или спутники связи. Каждый узел снабжен устройством 100 для телеизмерений, предназначенным для передачи диагностических сообщений между узлами и от узла отправителя к наземной станции-адресату. Узел-отправитель вырабатывает диагностические сообщения и определяет наиболее эффективную линию передачи к наземной станции-адресату через промежуточные узлы. Узел-отправитель затем передает диагностическое сообщение к первому узлу линии передачи, этот узел принимает и ретранслирует диагностическое сообщение к следующему узлу линии передачи и т.д. до тех пор, пока сообщение, наконец, не будет принято наземной станцией назначения. Таким образом, летательный аппарат передает информацию посредством ретрансляции летательному аппарату, находящемуся в прямой видимости таким образом, что информация эффективно передается от узла-отправителя к наземной станции. В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения, удаленная станция 250 применяет фазированную антенную решетку, которая находится в прямой видимости с летательным аппаратом на крейсерской высоте.

Для того, чтобы установить эффективную линию передачи, узел-отправитель и каждый последующий узел в линии связи должны выбирать себе последующий узел таким образом, что сообщение передают от узла к узлу при наличии последующего узла в прямой видимости с предыдущим узлом. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения приемопередатчик каждого узла снабжают информацией о плане полета для того, чтобы упростить выбор последующего узла, которому передавать диагностическое сообщение. Информация о плане полета - это информация, имеющая отношение к высотам, маршрутам и расписаниям полетов конкретного летательного аппарата. В одном из вариантов реализации изобретения информацию о плане полета получают от служб слежения летательными аппаратами. Пример такой системы включает, но не ограничен системой AirTrack. AirTrack является программой слежения за летательными аппаратами в реальном времени, поставляемой фирмой Metsys Software and Services, Cropton, Pickering, North Yorkshire, Y0188HL, England. Данные о плане полета из базы данных загружают в процессор 150 диагностических сообщений устройства 100 для телеизмерений каждого летательного аппарата. После этого процессор узла-отправителя выбирает последующий узел на основе данных плана полета и желаемой удаленной станции-адресата.

Как показано на фиг. 1, удаленная станция 200 содержит приемник 250, предназначенный для приема частот в нелицензируемом частотном диапазоне, таком как ПНМ. В одном из вариантов реализации изобретения применили приемную сеть 500, содержащую несколько друг от друга удаленных станций 200, как показано на фиг.4. Удаленные станции 200 находятся на таком расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить зону охвата приема по всей географической территории 120, представляющей интерес, в данном случае-территории Соединенных Штатов, как изображено на фиг.4.

Радиогоризонт для курса в прямой видимости объекта, находящегося на высоте Н футов над землей, составляет миль. Таким образом, наземный радиоприемник, расположенный в районе Эвендэйла, штат Огайо, способен контактировать в прямой видимости с самолетом на высоте 6096 метров, действительное место которого расположено в круге 300, как показано на фиг.3. Этот круг составляет приблизительно 321,8 км в радиусе. Для самолетов с большей высотой этот круг покрытия увеличивается. фиг.4 изображает вымышленное покрытие территории США всего 40 приемными станциями. Центры приема обозначены "х".

Система содержит протокол для назначения и контроля расписания и проведения контроля передачи обслуживания от приемной станции. Протокол основывается на линии передачи земля-воздух для управления потоком или передачей. Примеры линий передачи земля-воздух, пригодных для управления передачей содержат, но не ограничены, адаптивное управление скоростью передачи, предусматривание или непредусматривание кодирования с исправлением ошибок, управление мощностью и временем передачи.

Изобретение относится к радиотехническим измерительным средствам и может использоваться для передачи диагностических сообщений от подвижного объекта к удаленной станции. Технический результат заключается в использовании диапазона частот, предназначенного для передачи сигналов промышленной, научной и медицинской (ПНМ) аппаратуры. Для этого устройство содержит процессор, датчики условий, процессор преобразует выходные сигналы датчиков условий в диагностические сообщения и подает их на выход процессора и далее на передатчик, передающий диагностические сообщения к удаленной станции. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Устройство (100) для телеизмерений, содержащее процессор (150), связанный с выходом одного или нескольких датчиков (320) условий, причем процессор выполнен с возможностью преобразования выходного сигнала одного или нескольких датчиков условий в диагностическое сообщение и подачи диагностического сообщения на выход процессора, передатчик (118), связанный с выходом (151) процессора, причем передатчик выполнен с возможностью передачи диагностического сообщения в радиочастотном диапазоне, отличающееся тем, что содержит приемник (116), связанный с процессором (150), причем приемник выполнен с возможностью приема диагностических сообщений, переданных в радиочастотном диапазоне.2. Устройство (100) для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что радиочастотным диапазоном является диапазон частот ПНМ (промышленной, научной и медицинской аппаратуры).3. Устройство (100) для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что содержит устройство (152) памяти для сохранения диагностических измерений.4. Устройство (100) для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что приемник (116) дополнительно выполнен с возможностью приема команд, переданных от наземной станции (200) в радиочастотном диапазоне.5. Устройство (100) для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что датчик (320) условий содержит датчик температуры выхлопного газа.6. Устройство (100) для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что датчик (320) условий является датчиком скорости турбины.7. Устройство (100) для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что процессор (150) содержит процессор диагностических сообщений, содержащий блок сбора сообщений, предназначенный для приема цифровых данных с выхода датчика условий и для преобразования цифровых данных в одно или несколько диагностических сообщений для подачи диагностических сообщений на выход блока сбора сообщений, устройство (152) памяти для приема и хранения диагностических сообщений с выхода блока сбора сообщений и от приемника (116) и маршрутизатор для направления диагностических сообщений к указанным адресатам и для подачи диагностических сообщений в передатчик (118) в случае, когда указанный адресат не принадлежит основной платформе.8. Устройство для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что оно установлено на летательном аппарате (20, 21).9. Устройство для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что оно установлено на локомотиве (22).10. Устройство для телеизмерений по п.1, отличающееся тем, что оно установлено на корабле (24).11. Система (10) для телеизмерений, содержащая устройство (100) для телеизмерений, установленное на борту подвижного объекта (20), причем устройство для телеизмерений содержит процессор (150), связанный с выходом одного или нескольких датчиков (320) условий данного объекта, выход (151) для выработки диагностических сообщений, содержащих информацию, связанную с контролируемой характеристикой указанного объекта, передатчик (118), имеющий вход, связанный с выходом устройства для телеизмерений, для передачи диагностических сообщений в диапазоне ПНМ (промышленной, научной и медицинской аппаратуры) и удаленную станцию (200), содержащую приемник (250) для приема переданных сообщений, процессор станции для обработки переданных сообщений, причем выходной сигнал (30) удаленной станции предназначен для предоставления информации, связанной с характеристикой указанного объекта, устройству (190), предназначенному для использования этой информации, отличающаяся тем, что содержит приемник (116), связанный с процессором (150), причем этот приемник выполнен с возможностью приема диагностических сообщений, переданных в диапазоне ПНМ.12. Система (10) для телеизмерений по п.11, содержащая множество удаленных станций (200), выполненных с возможностью покрытия географической территории (500), представляющей интерес.13. Система (10) для телеизмерений по п.12, отличающаяся тем, что географической территорией, представляющей интерес, является континентальная часть США.14. Система (10) для телеизмерений по п.13, отличающаяся тем, что передатчик (118) передает электромагнитную энергию в ПНМ диапазоне 3,2 ГГц.15. Система (10) для телеизмерений по п.13, отличающаяся тем, что передатчик (118) передает электромагнитную энергию в диапазоне 5 ГГц.16. Система (10) для телеизмерений по п.13, отличающаяся тем, что устройство, предназначенное для использования информации, является дисплеем (190).17. Система (10) для телеизмерений по п.13, отличающаяся тем, что удаленная станция включает дополнительно антенную решетку (120), предназначенную для приема радиочастотных сигналов в диапазоне ПН.