УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01M7/02 

Изобретения относятся к области космического приборостроения и предназначены для использования в системах телеметрических измерений быстроменяющихся процессов. Предложенные технические решения могут быть использованы в бортовых телеметрических системах космических аппаратов различного назначения, в частности в бортовых телеметрических системах измерения вибрационных процессов элементов конструкции космического аппарата, находящихся под воздействием силовых агрегатов и внешней среды.

Бортовые телеметрические системы измерения вибрационных процессов, используемые для контроля и подтверждения правильности конструктивных расчетов объекта, должны обеспечивать передачу большого объема информации быстроменяющихся процессов на наземные средства с заданными параметрами. Например, для передачи информации одного процесса с полосой 4 кГц необходимо обеспечить скорость передачи порядка 16 тысяч измерений в секунду. При необходимости получения информации о нескольких быстроменяющихся процессах частота передачи информации в виде суммарного потока возрастает в десятки раз, что приводит к необходимости разработки систем обеспечивающих эффективную работу с подобными процессами.

Из патента RU 2049320 известен способ вибрационной диагностики технического состояния механизма, при осуществлении которого измеряют значения вибрационного параметра, по измеренным последовательностям вибрационных параметров определяют аппроксимирующую функцию, по которой оценивают состояние исследуемого механизма. При реализации данного способа спектр вибраций механизма разбивают на N частотных областей, в каждой из которых определяют значение вибрационного параметра и аппроксимирующей функции. В качестве вибрационного параметра выбирают суммарную составляющую интенсивности спектра вибраций. После определения аппроксимирующей функции определяют конечную разность, в функции дискретного времени сравнивают ее значение с пороговым уровнем и по результатам сравнения определяют наличие дефекта и его развитие работе механизма.

Описанный в патенте RU 2049320 способ позволяет использовать информацию о скорости развития каждого дефекта в отдельности во времени, что расширяет информативность и функциональные возможности вибрационной диагностики механизмов.

Однако данный способ не сможет с требуемой эффективностью использоваться в системах измерения вибрационных процессов на борту космических аппаратов.

Из авторского свидетельства SU 511619 известно устройство для сжатия телеметрической информации, включающее последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вычислитель и накопитель информации. Известное из авторского свидетельства SU 511619 техническое решение обеспечивает исключение из передаваемой информации неизменных старших разрядов характерных сообщений и достаточно высокие характеристики сжатия телеметрической информации. Однако в силу необходимости передачи большого объема информации о быстроменяющихся параметрах на наземные средства данное устройство не может быть использовано в системах измерения вибрационных процессов на борту космических аппаратов. Известное из авторского свидетельства SU 511619 устройство для сжатия телеметрической информации выбрано в качестве ближайшего аналога по отношению к предложенному устройству для сбора и обработки результатов телеметрических измерений.

При работе известного из SU 511619 устройства для сжатия телеметрической информации получают сигнал от датчиков информации, преобразуют сигнала в цифровой код, затем интегрируют сигнал с последующей его передачей на накопитель информации, что помимо указанного выше недостатка не позволило бы осуществить вычисления спектральных составляющих вибрационных процессов непосредственно на борту космических аппаратов.

Таким образом, реализуемые при работе данного устройства элементы способа телеметрических измерений вибрационных процессов, также как само устройство не могут быть с требуемой эффективностью использованы в системах телеметрических измерений вибрационных процессов на борту космических аппаратов и может быть выбран в качестве одного из аналогов изобретения.

Для устранения отмеченных выше недостатков известного из патента RU 2049320 способа телеметрических измерений вибрационных процессов, а также устройства по авторскому свидетельству SU 511619, выбранных в качестве ближайших аналогов для заявляемых технических решений, предложен способ телеметрических измерений вибрационных процессов и устройства для его реализации.

Предложенные технические решения позволят подставлять информацию быстроменяющихся процессов в кадр бортовой телеметрической системы, передавать ее по низкочастотной линии передачи, обеспечивать последующую распаковку на наземном оборудовании, а также вычисление спектральных составляющих вибрационных процессов непосредственно на борту космического аппарата. При этом выходной сигнал позволяет однозначно идентифицировать по нему каждый параметр, интервал обработки и привязку к бортовому времени. Система телеметрических измерений вибрационных процессов, реализованная с использованием предложенных способа и устройства, позволит значительно повысить скорость передачи данных. Таким образом, использование предложенных технических решений для телеметрических измерений быстроменяющихся процессов позволяет существенно сократить объем передаваемой для наземной обработки информации, необходимой для исследования реакции объекта при воздействии на него вибрационных нагрузок.

Предложенный технический результат достигается тем, что предложены способ телеметрических измерений вибрационных процессов и устройство для его реализации.

Способ телеметрических измерений вибрационных процессов включает распределение энергии сигнала по N частотным полосам, определение спектральных составляющих энергии сигнала для каждой такой частотной полосы и последующее интегрирование составляющих энергии сигнала. Для каждого из N интервалов, где N - целое число больше единицы, определяемое как двукратное понижение частоты колебаний сигнала, дополнительно выполняется последовательная низкочастотная фильтрация вибрационного сигнала. В n частотных полосах, которые выделяются в каждом из N частотных интервалах, где n - целое число больше единицы, выполняется последующая фильтрация сигнала и определение для каждой из частотных полос ортогональных составляющих и среднеквадратичного уровня энергии сигнала. Одновременно в каждом из N частотных интервалов энергии сигнала выделяют k - подинтервалов периода осреднения, где k - целое число больше единицы, на которых выбирают максимальные по абсолютной величине значения сигнала.

Устройство для сбора и обработки телеметрической информации включает последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вычислитель и накопитель информации. Вычислитель включает совокупность из N программных понижающих фильтров низкой частоты и N×n полосовых фильтров, где N - число частотных интервалов, представляющих собой двукратное понижение частоты колебаний сигнала, n - число частотных полос выделяемых в каждом частотном интервале, N и n - целые числа больше единицы. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом понижающего фильтра низкой частоты и входами полосовых фильтров первого частотного интервала. Для частотных интервалов следующим за первым, выход понижающего фильтра низкой частоты предшествующего частотного интервала соединен с входом понижающего фильтра низкой частоты и входами полосовых фильтров последующего частотного интервала. Выходы полосовых фильтров для частотных интервалов от первого до N-ого соединены с входами накопителя информации.

Предложенное техническое решение поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема вычислений при обработке информации, полученной от датчиков.

Предложенные технические решения реализуются следующим образом.

Предложенное устройство включает последовательно соединенные аппаратный аналоговый фильтр низкой частоты 1, аналого-цифровой преобразователь 2 и вычислитель 3. Вычислитель 3 включает программные понижающие фильтры 4, 5 и наборы полосовых фильтров 6, 7, 8, (на чертеже приведен пример вычислителя, включающего два программных понижающих фильтра низкой частоты и три набора цифровых полосовых фильтров).

Для исключения влияния на точность проведения вычислений сигналов с частотой выше, чем установленная верхняя граница частоты, поступающий от датчика сигнал проходит предварительную фильтрацию на собранном на дискретных элементах аналоговом фильтре низкой частоты 1. После фильтра низкой частоты входной сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь 2. Частота преобразования (частота дискретизации) аналого-цифрового преобразователя 2 должна, как минимум, в два раза превышать значение верхней границы частоты исследуемого сигнала. Оцифрованный сигнал поступает в вычислитель 3. В вычислителе 3 сигнал обрабатывается в программных понижающих фильтрах низкой частоты 4, 5 и в устройстве цифровой фильтрации, выполненном в виде набора цифровых полосовых фильтров 6, 7, 8.

В вычислителе 3 сигнал от каждого датчика, например вибрационного датчика, распределяется по N частотным интервалам (октавам), каждый из которых представляет собой двукратное понижение частоты f колебаний сигнала (часть диапазона [f, f/2]). Каждый частотный интервал разделен на n частотных полос. Для каждого частотного интервала выделены один программный понижающий фильтр низкой частоты и n полосовых идентичных фильтров. Число частотных интервалов и частотных полос выбирается исходя из требуемой точности вычислений. Выделение в каждом частотном интервале 1/n частотных полос выбирается из соотношения Центральные частоты полосовых фильтров (ПФ_i) имеют значение: f_ПФi= (i=1,2...n), где f_вг - верхняя граница частоты исследуемого сигнала.

На полосовые фильтры 8 первого частотного интервала сигнал поступает непосредственно с входа вычислителя 3. Далее сигнал пропускается через цифровой фильтр низкой частоты 5 с частотой среза в два раза меньше чем верхняя граница исследуемого сигнала и через n цифровых полосовых фильтров 7 второго частотного интервала (часть диапазона [f/2, f/4]). И так далее для последующих частотных интервалов до тех пор, пока не будет перекрыт весь исследуемый частотный диапазон.

Для первого частотного интервала входными показаниями являются показания датчика. Для последующих частотных интервалов очередное входное показание датчика определяется в результате расчета программного понижающего фильтра низкой частоты для показаний предшествующего частотного интервала. При этом на каждое второе значение показаний датчика в частотном интервале приходится расчет очередного входного значения показаний датчика последующего частотного интервала, а также по одной спектральной составляющей энергии входного сигнала для всех частотных полос частотного интервала.

Все программные понижающие фильтры низкой частоты и полосовые фильтры представляют собой свертку вида

где m - количество входных показаний датчиков, необходимых для расчета фильтра, c_m - коэффициент фильтра, определяющий его характеристики, а x_m - входные показания датчиков, участвующие в расчете фильтра. При этом x_m - последнее (самое новое) входное показание датчика, a x₀ - первое (самое старое) входное показание датчика, участвующее в расчете величины отфильтрованного сигнала.

В вычислителе 3 в выбранном интервале времени (периоде осреднения) для полосовых фильтров каждой из n частотных полос N частотных интервалов определяется среднеквадратичный уровень энергии сигнала

где m=N×n.

Ортогональные составляющие сигнала рассчитываются при помощи полосовых фильтров, например 6, 7, 8. При помощи полосовых фильтров, определяющих спектральную составляющую входного воздействия со сдвигом фаз 0°, рассчитываются действительные составляющие энергии сигнала в выделенных частотных полосах ..., частотных интервалов. При помощи полосовых фильтров, определяющих спектральную составляющую входного воздействия со сдвигом фаз 90°, рассчитываются мнимые составляющие энергии сигнала. Наличие мнимой и действительной составляющих энергии сигнала восстановить амплитуду исследуемого сигнала позволяет в любой момент времени. С целью экономии расчетного времени действительная и мнимая составляющие энергии сигнала рассчитываются через раз.

Рассчитанные ортогональные составляющие энергии сигнала в выделенных частотных полосах частотного интервала N (..., ) суммируются с квадратичными составляющими энергии сигнала в этих частотных полосах ..., полученными в результате обработки предыдущих входных показаний частотного интервала N.

Таким образом, для каждого второго входного значения показаний частотного интервала N вычисляются:

где в качестве коэффициентов полосовых фильтров с^пФi _m (i=1, 2, 3) поочередно берутся коэффициенты фильтров ПФ_(i)ге и ПФ_(i)im, m_пФi - количество входных показаний, необходимое для расчета i-го полосового фильтра, а - участвующие в расчетах значения входных показании частотного интервала N, х - очередное значение показаний для последующего частотного интервала, полученное в результате расчета фильтра низкой частоты (с коэффициентами ) для m_Фнх входных показаний.

Одновременно с перечисленными операциями обработки сигнала в каждом из N частотных интервалов энергии сигнала выделяют k - подинтервалов периода осреднения, где k - целое число больше единицы, на которых выбирают максимальные по абсолютной величине значения сигнала. Выполняется сравнение абсолютной величины значений показаний датчика с максимальной по модулю величиной предыдущих показаний, с заменой ее на абсолютную величину очередного значения показания датчика превосходящего максимальную по модулю величину предыдущих показаний. Абсолютная величина входного сигнала в каждой частотной полосе сравнивается с максимальной по модулю величиной предыдущих показаний (текущим пиковым значением датчика). Если абсолютная величина очередного значения показаний датчика превосходит текущее пиковое значение, это значение заменяется абсолютной величиной очередного значения показаний.

По завершении текущего периода осреднения вычислитель 3 производит осреднение величин энергий во всех частотных полосах, выделенных в частотных интервалах, приводит их к виду, удобному для выдачи потребителю, и запоминает полученные значения в накопителе информации (на чертеже не показан). В течение следующего периода осреднения вычислитель 3 осуществляет все вышеперечисленные операции, используя другую область накопителя.

Значения, рассчитанные в предыдущий период осреднения, передаются в телеметрическую систему космического аппарата с последующим представлением результатов в форме, удобной для пользователя (в виде таблиц или графиков).

Таким образом, предложенные технические решения существенно сократят объем передаваемой на землю информации, необходимой для исследования реакции объекта при воздействии на него вибрационных нагрузок или ударных нагрузок.

Устройство включает в себя последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вычислитель и накопитель информации, отличающийся тем, что вычислитель включает совокупность из N программных понижающих фильтров низкой частоты и N×n полосовых фильтров, где N - число частотных интервалов, представляющих собой двукратное понижение частоты колебаний сигнала, n - число частотных полос, выделяемых в каждом частотном интервале. N и n - целые числа больше единицы. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом понижающего фильтра низкой частоты и входами полосовых фильтров первого частотного интервала. Для частотных интервалов, следующих за первым, выход понижающего фильтра низкой частоты предшествующего частотного интервала соединен с входом понижающего фильтра низкой частоты и входами полосовых фильтров последующего частотного интервала. Выходы полосовых фильтров для частотных интервалов от первого до N-ого соединены с входами накопителя информации. Технический результат заключается в сокращении объема передаваемой для наземной обработки информации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для сбора и обработки результатов телеметрических измерений, включающее последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вычислитель и накопитель информации, отличающееся тем, что вычислитель включает совокупность из N программных понижающих фильтров низкой частоты и N и n полосовых фильтров, где N - число частотных интервалов, представляющих собой двукратное понижение частоты колебаний сигнала, n - число частотных полос, выделяемых в каждом частотном интервале, N и n - целые числа больше единицы, при этом выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом понижающего фильтра низкой частоты и входами полосовых фильтров первого частотного интервала, а для частотных интервалов, следующих за первым, выход понижающего фильтра низкой частоты предшествующего частотного интервала соединен с входом понижающего фильтра низкой частоты и входами полосовых фильтров последующего частотного интервала, причем выходы полосовых фильтров для частотных интервалов от первого до N-ого соединены с входами накопителя информации.2. Устройство для сбора и обработки результатов телеметрических измерений по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью распределения энергии сигнала по N частотным полосам, причем для каждого из N интервалов, где N - целое число больше единицы, определяемое как двукратное понижение частоты колебаний сигнала, дополнительно выполняется последовательная низкочастотная фильтрация вибрационного сигнала и последующая фильтрация сигнала в n частотных полосах, которые выделяются в каждом из N частотных интервалов, где n - целое число больше единицы, а также с возможностью определения спектральных составляющих энергии сигнала для каждой из N выделенных частотных полос сиганала, при котором для каждой из n частотных полос определяют ортогональные составляющие и среднеквадратичный уровень энергии сигнала, с одновременным выделением в каждом из N частотных интервалов энергии сигнала k - подинтервалов периода осреднения, где k - целое число больше единицы, на которых выбирают максимальные по абсолютной величине значения сигнала и последущего интегрирования составляющих сигнала.