СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК G08C19/28 

Изобретение относится к системам передачи телеметрической информации (ТМИ), искаженной при передаче помехами естественного и искусственного происхождения. Оно ориентировано на внедрение в существующую практику передачи ТМИ новых алгоритмов структурно-алгоритмических преобразований (САП) данных телеизмерений, предназначенных для обеспечения дополнительного малоизбыточного и безызбыточного помехоустойчивого кодирования передаваемых сообщений.

При этом в качестве дополнительных условий, упрощающих реализацию предлагаемого способа в существующих бортовых телеметрических системах (БРТС), выступает требование обеспечения адаптации к структурам представления данных, которые уже используются. В этом случае модернизация существующих БРТС может быть обеспечена путём перепрограммирования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), микроконтроллеров и микропроцессоров, составляющих основу их построения.

Известна группа изобретений, в которых для достижения высоких показателей помехозащищенности данных измерений используют дополнительное экономное помехоустойчивое кодирование. К ней относятся: [1] «Способ передачи информации и система для его осуществления», патент RU №2586605, приоритет от 22.03.2013г. и [2] «Способ передачи информации», патент RU №2609747, приоритет от 13.08.2017г.

В патенте [1], основу которого составляет нетрадиционное представление данных телеизмерений для представления результатов дополнительного малоизбыточного помехоустойчивого кодирования данных их образами-остатками b_1j и b_3j, получающимися в результате арифметической операции деления их исходных значений X_j, представленных N = 2n - разрядным двоичным позиционным кодом, на оптимально выбранные модули сравнения m₁= 2ⁿ - 1 и m₃= 2ⁿ + 1. Его использование требует, в общем случае, один дополнительный разряд (n + 1)-й разряд для разрешения неоднозначности между значениями первого («нулевого» значения остатков b_3j⁽⁰⁾= <00…0>₂, представленного последовательностью n-разрядных символов «0» двоичного кода, и «последнего», самого большого по величине значения b_3j^(max)= <100…0>₂, отличающегося наличием самого старшего (n + 1)-й разряда с двоичным символом «1».

Суть математического задания на осуществление перепрограммирования существующих БРТС заключается в следующем. Исходное представление значения сообщения X_j, выраженное с использованием образов-остатков b_1j ,b_3j, определяет следующая система уравнений:

X_j = m₁l₁ + b_1j

X_j = m₃l₃ + b_3j, (1)

где m₁ = 2ⁿ - 1 и m₃ = 2ⁿ + 1 - оптимальные модули сравнений;

l₁, l₃.- неполные частные, получаемые от деления X_j на делители (модули сравнений m₁ и m₃).

При переходе к системе сравнений, которая является эквивалентной представлению (1):

X_j ≡ b_1j (mod m₁)

X_j ≡ b_3j (mod m₃) (2)

получаем сжатую математическую форму представления значения сообщения X_j. Сжатой она является потому, что в системе сравнений (2) отсутствуют значения неполных частных l₁ и l₃.

Из представления результата дополнительного кодирования в следующих двух вариантах:

C_j⁽¹⁾ = < <b_1j>₂, <b_3j>₂ >₂, (3)

C_j^(1)* = < <b_3j>₂, <b_1j>₂ >₂, (4)

также следует, что помимо значений неполных частных l₁ и l₃ в канал связи не передаются и значения модулей сравнения m₁ и m₃ - они являются частью ключевых данных, которыми стороны обмениваются между собой до начала работы.

При сравнении представлений значения X_j с использованием системы уравнений (1) и системы сравнений (2), следует, что в результатах дополнительного кодирования присутствует не явно выраженный эффект синтаксического сжатия данных. Неполные частные l₁ и l₃. при соответствующем выборе модулей сравнений m₁ и m₃, могут быть восстановлены на приемной стороне на основе принятых образов-остатков b_1j, b_3j с использованием алгоритмов теорем об остатках, известных как китайская теорема об остатках (КиТО) [3] или конструктивная теорема об остатках (КтТО) [3], используемая в патенте [1]). Поэтому они не передаются, хотя и представляют собой, помимо образов-остатков b_1j, b_3j, часть информации о значении передаваемого сообщения X_j (1). В этом заключаются основополагающие теоретические положения сжатия данных и повышения их помехозащищённости при нетрадиционном представлении данных образами-остатками.

В патенте [2], используется другой алгоритм дополнительного кодирования, который является эквивалентным основному теоретическому представлению значения сообщений X_j образами-остатками b_1j,b_3j в плане повышения показателей помехоустойчивости передачи информации, но отличается простотой реализации.

Его суть в упрощённом для толкования варианте заключается в том, что в исходном кодовом 2n - разрядном двоичном слове X_j выделяют старшее (а_стj) и младшее (а_млj) полуслова:

X_j = < <а_стj>₂, <а_млj>₂ >₂, (5)

которые затем переставляют местами с образованием дополнительно закодированного сообщения C_j^(1(Э)):

C_j^(1(Э)) = < <а_млj>₂, <а_стj>₂ >₂, (6)

При таком представлении появляется необходимость использования модуля сравнения m₂ = 2ⁿ. Если число (N) разрядов, требуемых для представления значений контролируемого параметра, является нечётным, равным, например, N = 9, то наибольшее предпочтение имеют следующее представление: а_млj пятью, а а_стj - четырьмя разрядами. Возможны и другие варианты разделения исходного кодового слова W на кодовые сегменты а_млj и а_стj. Выбор наиболее подходящего вариантаопределяется необходимостью соблюдения требований, которые являются заданными для данной ТМС и соответствуют формированию необходимого значения d_min. В качестве требований могут быть использованы возможные для ТМС, подвергаемой модернизации, варианты формирования внешних структур представления данных (S_внеш).

Также алгоритмы представления (5) и дополнительного кодирования (6) используют на приемной стороне, после декодирования, заключающегося в первичной обработке полученной информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи ([5], Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи, патент RU № 2658795, приоритет от 30.05.2017г.). В этом случае используется операция сравнения получаемых при обработке данных по модулям сравнения (m₂), определяемым из ряда чисел 2ⁿ: m₂ = 2ⁿ. В результате этого и минимальное кодовое расстояние также будет определяться из ряда чисел 2^N-1: d_min = 2^N-1, где N – число разрядов в кодовом слове-измерении X_j.

Первые два способа [1] и [2], обладают различными недостатками. Первый [1], выбранный в качестве наиболее подходящего при передаче БМП, требует, как это было отмечено ранее, введения дополнительного (n + 1) -го символа. Этот недостаток становится несущественным при использовании в кодовом слове-измерении X_j дополнительного символа «Контроль чётности бит (КЧБ). В предлагаемом техническом решении его также используют по своему основному предназначению: для контроля наличия ошибок в принятом на фоне помех сообщении. Однако им уже является не исходное кодовое слово-измерение X_j, а его остаток b_3j по модулю (2ⁿ+1): b_3j (mod 2ⁿ+1). При этом также его используют и по новому назначению: для разрешения неоднозначности «нулевого» значения остатков b_3j⁽⁰⁾ = <00…0>₂, представленного последовательностью n-разрядных символов «0» двоичного кода, и «последнего», самого большого по величине значения b_3j^(max) = <100…0>₂. В первом случае КЧБ представляют символом «0»: b_3j⁽⁰⁾ = <00…00>₂, а во втором - символом «1»: b_3j^(max) = <100…0>₂ ↔ <00…01>₂, где он выделен жирным цветом. При этом только во втором случае подстановка символа «1» противоречит логике формирования КЧБ и, следовательно, основное предназначение символа КЧБ не выполняется. Однако при этом кодовые конструкции b_3j⁽⁰⁾ = <00…00>₂ и b_3j^(max) = <00…01>₂ становятся контрастно выраженными и, следовательно, хорошо различимыми. При представлении второго образа остатка b_1j (mod 2ⁿ-1) таких дополнительных сложностей нет.

Второй способ [2], основу которого составляет разделение исходного кодового слова-измерений X_j на старшее (а_стj) и младшее (а_млj) полуслова (5) и перестановку их местами (6), проблемы, связанной с нахождением дополнительного резерва в виде дополнительного символа, нет. Он относится к разряду безызбыточных способов помехоустойчивого кодирования.

Использование способов обеспечивает возможность формирования внутренней структуры представления данных (S_внутр) телеизмерений, которая по разрядности (N) двоичных слов, используемых для передачи информации, совпадает с существующей структурой представления слов-измерений и пакетов данных. Последняя представляет собой внешнюю структуру представления данных (S_внеш), которая используется в существующих БРТС в качестве телеметрических кадров, разрядности представления данных телеизмерений и сигналов синхронизации. В самом общем случае, внешняя структура представления данных (S_внеш) может включать в себя и другие данные, которые относят к числу служебных данных. К их числу относят: адресную информацию, проверочные символы избыточных помехоустойчивых кодов, защитные символы между словами, используемые для повышении точности системы синхронизации ([4], «Современная телеметрия в теории и на практике / Учебный курс», Спб.: Наука и Техника, 2007. - 672с, стр. 465).

Сущностные характеристики предлагаемого способа заключаются в том, чтобы внедрение алгоритмов САП [1,2] не требовало бы выхода за пределы ограничений, определяемые существующими правилами представления данных в БРТС, которые используются в настоящее время. В то же время их использование обеспечивало бы достижение наибольшего технического эффекта. Это позволило бы использовать существующие приёмно-регистрирующие станции (ПРС) и наземный телеметрический комплекс, в целом, без дорогостоящих аппаратурных доработок, а все вносимые новшества и изменения реализовать за счёт программных средств и разработки обновлённого ПМО.

Способы [1,2], обладая способностью обнаружения и исправления ошибок передачи за счёт появления нового инварианта в виде «группового свойства равноостаточности», имеют различные преимущества и недостатки. Ими определяются перспективные направления их реализации при модернизации существующих БРТС программными методами.

Они в наглядной форме представлены на иллюстрациях ММП и БМП, приведенных на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5.

На фиг. 1 и 2 представлены в виде графиков основополагающие принципы предлагаемого помехоустойчивого кодирования, которые являются общими для предлагаемого изобретения и способов [1,2]. На фиг. 1(А) в качестве примера выбран телеметрируемый параметр (ТМП), изменение значений X_j которого происходит по закону косинуса. На следующей иллюстрации (фиг. 1(Б)), приведены результаты дополнительного кодирования C_j⁽¹⁾ = < <b_1j>₂, <b_3j>₂ >₂. В результате дополнительного кодирования увеличивается минимальное кодовое расстояние d_min, в результате чего амплитуду преобразованного ТМП увеличивают в соответствующее число раз. Но так как шкала (Ш) представления его значений ограничена разрядной сеткой представления данных, определяемой количеством разрядов N двоичного кода, то график (фиг. 1(Б)) претерпевает разрывы, длительность которых (Δt_ζk) определяют значения «равноостаточности», представленные в графическом виде на фиг. 1(В). В соответствии с групповым свойством «равноостаточности» результаты дополнительного кодирования C_j⁽¹⁾ = < <b_1j>₂, <b_3j>₂ >₂, принятые без ошибок при делении на минимальное кодовое расстояние d_min, дают одно и то же значение остатка: C_j⁽¹⁾≡ζ_j (mod d_min).

На фиг. 2 (А,Б,В) повторены соответствующие иллюстрации, приведенные на фиг. 1, но при имитации искажений значения ТМП помехами. При этом наиболее часто встречающиеся на выделенном временном интервале которых (Δt_ζk) значения остатков ζ_j, представляющие собой моду построенной гистограммы распределения частот встречаемости Мо(ζ_j), будут отождествляться с закодированными значениями C_j, принятыми без ошибок. Другие значения остатков ζ_s:ζ_s≠ζ_j будут соответствовать значениям C_s, которые были искажены при передаче по каналам в условиях помех. Они подлежат исправлению в условиях избыточности данных телеизмерений на ближайшее значение C_j , отличающееся от C_s минимум кодового расстояния: |C_s - C_j| = l d_min, где l = 1,2,3 - наименьшее число. В этом заключается смысл предлагаемого режима «мягкого» декодирования (восстановления) результатов дополнительного кодирования ТМП при приёме.

На фиг. 3(А) представлен случай дополнительного кодирования ТМП, относящегося к классу медленноменяющихся (ММП), а на фиг. 3(Б) и 3(В) приведены результаты графического представления значений слов-измерений X_j образами- остатками b_j1(mod 2ⁿ - 1) (фиг. 3(Б)) и b_j3(mod 2ⁿ + 1) (фиг. 3(В)) при байтовой структуре (N = 2n) представления данных телеизмерений.

Однако для ММП наиболее подходящим становится способ [2], когда исходные кодовые слова-измерения X_j разделяют на старшее (а_стj) и младшее (а_млj) полуслова (5) с последующей перестановкой их местами (6). В этом случае значения старшего (а_стj) полуслова будут меняться существенно реже по сравнению с когерентными данными младшего (а_млj) полуслова, требующего такой же частоты опроса (f_o), определяемой в соответствии с теоремой В.А.Котельникова, что и исходное слово-измерений X_j. Но число разрядов кода, которое при этом необходимо передать будет в 2 раза меньше. Тогда необходимо для формирования стандартных слов W_j и W_j+1 прежней разрядности N = 2n, необходимо выполнить следующие операции:

1) формально объединить в единую кодовую конструкцию младшие (а_млj и а_мл(j+1)) полуслова двух ММП (W_j и W_j+1), требующих для передачи одну и ту же частоту опроса (f_o^(ММП));

2) выполнить ту же операцию по отношению к старшим (а_стj и а_ст(j+1)) полусловам тех же двух ММП (W_j и W_j+1), с последующей их передачей с пониженной в k раз частотой опроса (f_o^(ММП)/k).

При таком представлении обеспечивается возможность передачи большего объёма ММП по сравнению с существующими технологиями, которые использованы в существующих БРТС. Появление такого эффекта связано с тем, что ранее представление слов-измерений X_j рассматривалось в качестве наименьшего информационного элемента представления данных, поэтому назначаемая частота опроса (f_o^(ММП)) была избыточной по отношению к входящему в его состав старшему (а_стj) полуслову. Его разделение на старшее (а_стj) и младшее (а_млj) полуслова будет способствовать более рациональному выбору способов формирования кодовых слов ММП (W_j и W_j+1).

Однако этот приём может не дать ожидаемого выигрыша при передаче быстроменяющихся параметров (БМП). В этом случае наибольшее предпочтение приобретает способ [1], когда новые слова (C_j) будут сформированы из образов-остатков< <b_1j>₂, <b_3j>₂ >₂, в соответствии с алгоритмами кодирования (3) и (4). В этом случае динамика изменения значений образов-остатков <b_1j>₂, <b_3j>₂ уже не будет такой контрастной, как при передаче ММП. И тогда преимущества предложения о разных частотах опроса старшего (а_стj) и младшего (а_млj) полуслов, в общем случае, могут быть утрачены.

Эта ситуация продемонстрирована на иллюстрации (фиг. 4). Динамика изменения значений телеизмерений, графическое представление которых приведено на фиг. 4(А), существенно выше, следовательно, старшее полуслово (а_стj) при использовании способа [2] необходимо передавать чаще по сравнению с ТМП, иллюстрация которого приведена на фиг. 3. Таким образом, выигрыш в возможности увеличения объемов передаваемой ТМИ будет сокращаться по мере увеличения динамики изменения значений телеизмерений. В этом заключается проблема создания адаптивных БРТС, а в перспективе и интеллектуальных их образцов. Для повышения эффективности их использования необходима предварительная работа по классификации с точки зрения выбора наиболее подходящих алгоритмов дополнительного помехоустойчивого кодирования (3, 4) или (6).

Так, при передаче БМП наибольший технический эффект можно получить при использовании способа [1]. На фиг. 4(Б) и фиг. 4(В) представлены в графическом виде изменения значений образов-остатков <b_1j(mod 31)>₂ и <b_3j(mod 33)>₂, соответственно. На фиг. 4 (Г) изображено представление закодированных значений C_j⁽¹⁾ = < <b_1j>₂, <b_3j>₂ >₂, воспринимаемых как единое новое кодовое слово с разрядностью N = 2n, где n = 5. Из приведенных иллюстраций следует, что для каждого из них требуется исходная частота опроса БМП (f_o^(БМП)). В этом заключается принципиальное отличие предлагаемого изобретения от способа передачи ММП при использовании разделения исходного кодового слова-измерения X_j на старшее (а_стj) и младшее (а_млj) полуслова, когда исходная частота его опроса (f_o^(ММП)) по отношению к старшему полуслова (а_стj) может быть уменьшена в k раз: (f_o^(ММП)/k).

Поэтому и сущностные характеристики представления БМП проявятся в другом: избыточность передаваемых данных не сокращается, как это было в случае с передачей ММП. Наоборот, искусственно формируют дополнительную избыточность передаваемой информации о БМП при сохранении прежней транспортной скорости передачи ТМИ. Таким образом, речь идёт об избыточности особого типа, когда она присутствует, но не находит своего выражения в увеличении общего объёма передаваемой ТМИ.

Сущностные характеристики предлагаемого способа заключаются в том, что значения обоих полуслов, представленных образами-остатками, будут передаваться с исходной частотой опроса БМП (f_o^(БМП)), в результате чего передаваемая информация будет полноценно продублирована без привлечения дополнительных датчиков. При этом исключается необходимость обратного восстановления значений БМП в первоначальном виде. Принимаемые данные о значениях БМП уже будут представлены в системе остаточных классов (СОК). В результате показатели эффективности их обработки в соответствии с теорией обработки данных, представленных в СОК, будут повышены. Это положение в данном изобретении проиллюстрировано на примере использования алгоритмов адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ) (фиг. 5). На фиг. 5 представлены для сравнения значения дисперсий зашумляющей помехи при использовании алгоритмов АНФ для следующих случаев: 1) традиционного представления данных ТМП позиционным двоичным кодом и 2) когда они были на передающей стороне представлены образами-остатками (3) и при приёме алгоритмы АНФ были применены по отношению к значениям образов-остатков (фиг. 4(Б) и фиг. 4(В)), полученных с использованием модулей сравнения m₁ = 2ⁿ -1 и m₃ = 2ⁿ +1, соответственно.

Во втором случае значения вычисленных дисперсий зашумляющей помехи становятся в 2 - 3 раза меньше их исходного значения при существующем способе передачи БМП, что показано на иллюстрации, приведенной на фиг. 5.

Кроме того, дополнительное экономное малоизбыточное помехоустойчивое кодирование [1] рассматривают и как структурно-алгоритмическое преобразование первого этапа (САП-1), имеющее два взаимообусловленных вида: прямое структурно-алгоритмическое преобразование (ПСАП-1), определяющее операцию кодирования информации и обратное структурно-алгоритмическое преобразование (ОСАП-1), представляющее собой операцию декодирования.

В отличие от подобных САП-1 математических аналогов, известных, например, как прямое и обратное преобразования Фурье (ППФ и ОПФ) [4], обратное структурно-алгоритмическое преобразование (ОСАП-1) имеет два вида: универсальное ОСАП-1 (УОСАП-1), отождествляемое с понятием «жесткого» декодирования, и частное ОСАП-1 (ЧОСАП-1), которое определяют, как «мягкое» декодирование принятой и обрабатываемой информации. При этом алгоритм «жесткого» декодирования применим всегда, независимо от свойств передаваемой информации. Однако при этом в соответствии с законами Природы «за универсальность приходится расплачиваться потерями эффективности», что проявляется в практическом отсутствии возможности обнаружения и исправления ошибок передачи данных. Алгоритм ЧОСАП-1 («мягкого» декодирования) позволяет использовать естественную избыточность передаваемых цифровых данных для обнаружения и исправления ошибок передачи информации при ее приеме и обработке. Естественная избыточность цифровых данных является следствием применения теоремы В.А.Котельникова о дискретизации, в соответствии с которой интервалы (ΔT) между опросами аналогового параметра или сигнала X_j определяют, как обратное отношение к значению удвоенного значения спектральной составляющей наибольшей частоты (2F_max) X_j [4]:

ΔT = . (7)

Поскольку вероятность появления частотной составляющей F_max на достаточно малом интервале времени Δτ ≥ 3ΔT незначительна по величине, то выбранное значение интервалов ΔT для других спектральных составляющих F_i спектра параметра или сигнала оказывается малым, что проявляется в корреляционной взаимосвязи соседних значений сообщений или слов-измерений (X_j-1, X_j и X_j+1). В телеметрии эта составляющая внутренней избыточности составляет, в среднем, 90%. При передаче других видов информации, например, речевой, акустической, потокового видео или навигационной она также значительна. Предполагается одновременное использование двух режимов декодирования принимаемых цифровых сигналов УОСАП-1 и ЧОСАП-1. В этом случае детектор ЧОСАП-1 работает под управлением УОСАП-1. Детектор УОСАП-1 на основе принятой последовательности закодированных данных, представленных N - разрядным двоичным кодом, определяет наличие их корреляционной взаимосвязи, и, если устанавливает её наличие для трёх и более следующих подряд сообщений, то подключает для их обработки, осуществляемой с целью обнаружения и исправления ошибок передачи, детектор ЧОСАП-1. Введение цифр, обозначающих этапы (i) распределённых структурно-алгоритмических преобразований (САП-i), также становится обязательным для определения того информационного сечения (i) в существующих трактах формирования и передачи данных, в котором предусмотрено дополнительное кодирование передаваемой информации.

Основной недостаток всех известных классических методов избыточного помехоустойчивого кодирования и обеспечения защиты информации заключается в том, что специфические особенности передаваемой информации не учитываются. Поэтому и их эффективность в условиях чрезвычайно быстрого роста объемов передаваемой информации и скоростей передачи не оправдывает надежд заказчиков и разработчиков систем передачи данных (СПД).

Способ [2] отличается от других аналогов, например, [1] возможностью наиболее простой технической реализации безызбыточного помехоустойчивого кодирования, благодаря чему он оказывается наиболее предпочтительным при передаче высокоскоростной информации вследствие высоких требований, относящихся к показателю оперативности осуществления структурно-алгоритмических преобразований (САП-i), прежде всего, ПСАП-i, поскольку обратные САП-i (ОСАП-i) могут быть реализованы не в реальном, а в отложенном времени, например, при организации обработки данных, в том числе, и при реализации способов первичной обработки данных ([5], патент RU № 2658795 «Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи», приоритет от 30.05.2017г. и [6], патент RU № 2672392 «Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации данных измерений», приоритет от 27.06.2017г.).

Основу способа [5], обеспечивающего при приёме возможность обнаружения и исправления ошибок передачи, составляет использование двух видов декодирования, которые по аналогии с классической теорией помехоустойчивого кодирования называют «жёстким» и «мягким». Но принципиальное их отличие от известных информационных технологий заключается в том, что декодирования при этом подвергаются не символы двоичного кода, а выделенные из цифрового группового сигнала, основу которого составляют восстановленные при приёме его символы «1» и «0», значения кодовых конструкций или слов-измерений, каждый из которых представлен определённым их количеством (N).

Алгоритм «жёсткого» декодирования данных и сообщений использование алгоритма конструктивной теоремы об остатках (КтТО). При модулях, отличающихся друг от друга по абсолютной величине на 2 , алгоритм восстановления с использованием КтТО состоит из трёх звеньев вычислений [3,9]:

(8)

В формуле (8) для упрощения записи опущен индекс «j», свидетельствующий о том, что восстановленное значение представляет собой X_j, обозначения - означает, что Δ не делится без остатка на число n, а Δ/n и (m₃ +Δ)/n - читается, как: Δ и (m₃+Δ) делится без остатка на число n.

В результате операции «мягкого» декодирования определяют графические фрагменты закодированных первоначальных значений БМП, заключенные между соседними максимальными значениями абсолютных разностей ΔC_jM = |C_j - C_(j+1| ≥ 0,8 × 2^N, и ΔС _(j+s)М = |C_(j+s) - C_(j+s)+1| ≥ 0,8 × 2^N), равными или большими значений 0,8 × 2^N, где C_j результат дополнительного безызбыточного помехоустойчивого кодирования j -того по принятому порядку счета слова-измерения или сообщения X_j, где C_j, C_j+1 определяют начало графического фрагмента, а C_(j+s), C_(j+s)+1 - его окончание и начало следующего по порядку графического фрагмента, включающего в себя s выборок закодированных значений телеметрируемых параметров, а N - число разрядов, которые используют для представления слов-измерений или сообщений X_j, обеспечивают обнаружение и исправление ошибок передачи значений телеметрируемых параметров на основе «групповых свойств равноостаточности», которые должны быть постоянными при отсутствии ошибок передачи информации в выделенных графических фрагментах телеметрируемого параметра, преобразованного при дополнительном помехоустойчивом кодировании на передающей стороне, а в результате операции «жесткого» декодирования осуществляют восстановление первоначальных результатов телеизмерений без исправления ошибок, разрядность которых известна на приемной стороне, осуществляют сглаживание или фильтрацию восстановленных в результате «жесткого» декодирования данных и по отношению к вычисленным соседним значениям телеизмерений определяют их разности, которые при выполнении операций «мягкого» декодирования с учетом разрешенных позиций для значений принятого безызбыточного помехоустойчивого кода используют в качестве допусков при выборе наиболее подходящих, кондиционных значений восстанавливаемых данных телеизмерений, определяемых в соответствии с принятым критерием достоверности, производят повторное «жесткое» декодирование данных телеизмерений, скорректированных в результате операций «мягкого» декодирования, сглаженные или отфильтрованные данные, полученные при первой операции «жесткого» декодирования сравнивают с синхронными, совпадающими по времени опроса, значениями, полученными в результате второй операции «жесткого» декодирования, результаты сравнения используют для оценивания достигаемого технического эффекта в виде оценок повышения показателей достоверности приема ой информации, а также для сравнения полученных результатов и корректировки значений сглаживания или фильтрации данных телеизмерений, полученных при первом «жестком» декодировании, определяют их близость к другим разрешенным позициям помехоустойчивого кода, сформированного в результате структурно-алгоритмических преобразований значений телеметрируемого параметра на передающей стороне, в результате чего реализуют расширенные возможности, используемые для контроля достоверности полученных результатов телеизмерений и информационной поддержки принятия решений.

Проведенный анализ позволяет перейти к описанию формулы изобретения.

Предлагаемый способ заключается в том, что на передающей стороне осуществляют сбор сигналов от датчиков измерений, включающих в себя и датчики быстроменяющихся параметров (БМП), преобразуют их в двоичный код, обеспечивают синхронизацию сформированных слов-измерений, представленных N = 2n - разрядным двоичным кодом, и формируют из них уплотненный цифровой групповой сигнал, подлежащий передаче по каналам связи, а на приемной стороне принимают полученную последовательность переданных символов двоичного кода. Он отличается тем, что на передающей стороне кодовые конструкции, сформированные на первом этапе кодирования слов-измерений или сообщений представляют образами-остатками b_1j(mod m₁) и b_3j(mod m₃), которые получают в результате операций, эквивалентных делению их дискретных значений X_j, выбранных для передачи в моменты времени t_j = jΔТ, где ΔТ - интервал дискретизации по времени, определяемый в соответствии с теоремой о дискретизации В.А.Котельникова, на установленные модули сравнения m₁ = 2ⁿ - 1 и m₃ = 2ⁿ + 1, результаты дополнительного кодирования исходных значений X_j образами-остатками b_1j(mod m₁) и b_3j(mod m₃) объединяют в новые кодовые слова C_j = < <b_1j>₂, <b_3j>₂ >₂, где обозначение < >₂ означает представление двоичным кодом, таким образом, чтобы их разрядность и структура телеметрического кадра остались прежними, соответствующими обозначению S_внеш, для того, чтобы условия приёма и сбора телеметрической информации (ТМИ) остались неизменными, при приёме ТМИ восстанавливают переданные телеметрические кадры с установленной внешней структурой S_внеш, из которой выделяют дополнительно закодированные новые слова-измерения C_j^*, применительно к данным БМП C_j^*= < <b_1j^*>₂, <b_3j*>₂ >₂, искажённые при передаче помехами ε_1j и ε_3j: <b_1j^*>₂ = < b_1j + ε_1j >₂ и <b_3j^*>₂ = < b_3j + ε_3j >₂, после чего осуществляют их помехоустойчивое восстановление, обеспечивающее уменьшение интенсивности помехового воздействия: ε_1j^(пв) < ε_1j и ε_3j^(пв) < ε_3j и повышение, вследствие этого показателей достоверности приёма ТМИ.

Предлагаемый способ отличается также тем, что, помимо операций «жёсткого» декодирования, основу которого составляет алгоритм конструктивной теоремы об остатках, и «мягкого» декодирования переданных значений БМП на основе группового свойства равноостаточности, реализуют операции распараллеленной первичной обработки БМП с применением алгоритмов адаптивной нелинейной фильтрации, рассматривая представление значений БМП C_j^*= < <b_1j^*>₂, <b_3j*>₂ >₂, в виде системы остаточных классов (СОК), вследствие чего обработке подвергают не исходные восстановленные значения БМП в виде X_j^/ с уменьшенными ошибками передачи, а выделенные в соответствующие потоки исходных данных образы-остатки <b_1j^*>₂, <b_3j*>₂, которые рассматривают в качестве распараллеленных исходных данных, далее обработку осуществляют в отдельности по отношению к каждому из сформированных потоков восстановленных данных: <b_1j^*>₂ и <b_3j*>_2, а полученные при этом результаты, также являющие гомоморфными образами традиционной обработки с уменьшенными погрешностями, восстанавливают с использованием адаптивного алгоритма конструктивной теоремы об остатках, в результате чего дополнительно повышают показатели достоверности получаемой информации о БМП.

Основу появления новых сущностных характеристик составляет эффект увеличения минимального кодового расстояния d_min при использовании ПСАП-1 (дополнительного помехоустойчивого кодирования на основе представления дополнительно закодированных слов-измерений C_j образами-остатками <b_1j>₂ и <b_3j>₂). Для пояснения этого эффекта необходимо взять соседние значения данных измерений при числе разрядности двоичных слов-измерений и сообщений, равной N = 2n = 8, например, Х₁ =<115>₁₀ = <01110011>₂ и Х₂ =<116>₁₀ = <01110100>₂. При традиционном способе их кодирования двоичным кодом кодовое расстояние между ними будет равно d_min^(тр) = |115 - 116| =1. При этом в соответствии с теорией помехоустойчивого кодирования отсутствует возможность обнаружения ошибок передачи ТМИ ([7], Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. - М.: Связь, 1972. - 360с.).

При использовании предлагаемого способа и выборе модулей сравнения при n = 4: m₁ =2⁴ -1 = 15 и m₂ =2⁴ +1 = 17, получим: С₁ =<10101101>₂ = <173>₁₀ и С₂ = <10111110>₂=<190>₁₀. В результате минимальное кодовое расстояние увеличилось в k = 2ⁿ+1 раз и стало при n = 4 равным d_min^(СОК) = |173 - 190| =17. В результате этого обеспечивается возможность обнаружения и исправления ошибок передачи информации. Увеличение минимального кодового расстояния (d_min) в 17 раз в соответствии с теорией помехоустойчивого кодирования обеспечивает возможность исправления до 4 ошибок в передаваемых словах или сообщениях. Однако условие d_min = 17 будет выполняться не всегда, а только на временных интервалах графических фрагментов результатов кодирования C_j = f (jΔT), заключённых между разрывами, определяемыми на основе выполнения следующих неравенств, которые были отмечены ранее: ΔC_jM = |C_j – C_(j+1| ≥ 0,8 × 2^N и ΔС _(j+s)М = |C_(j+s) - C_(j+s)+1| ≥ 0,8 × 2^N. В результате этого получим s дополнительно закодированных значений C_j, которые в случае отсутствия помех дадут при делении на значение d_min = 17 один и тот же остаток ζ_j: C_j ≡ ζ_j(mod d_min). Появившийся при этом инвариант в виде «группового свойства равноостаточности»: ζ_j = Const используют для контроля достоверности и целостности передаваемой ТМИ, а также для обнаружения и исправления ошибок передачи. При этом ошибку передачи ε_j обнаруживают, если полученное значение ζ_j будет отличаться от наиболее встречающегося в гистограмме распределения значения, называемого модой - Мо(ζ_j).

Следующий этап подавления искажений данных телеизмерений, подвергнутых САП и искажённых помехой, связан, как уже отмечалось, связан с первичной обработкой полученной ТМИ. При этом в качестве примера рассмотрен случай использования предлагаемого модифицированного способа динамической фильтрации измерительных данных. Ориентация на динамическую фильтрацию определена с тем, что в большинстве практических задач обработка и анализ измерительных данных выполняются в отношении систем или процессов, которые отнесены к классу динамических. Это означает, что их функционирование рассматривается во временной области ([8],Кузнецов В.И. Статистическая идентификация. Адаптивная фильтрация. - Промышленные АСУ и контроллеры, 2014, № 7. - с. 20-27).

Известно [8], что теоретическую основу методов оптимальной динамической фильтрации составляет фильтр Калмана, различные реализации которого ориентированы на решения конкретных практических задач, в том числе и в условиях априорной неопределенности параметров информационной обстановки. В их числе: неопределённость параметров распределения случайных возмущений в уравнениях моделей состояний, случайной помехи в уравнениях измерений, объёма и качества измерительных данных [8].

В общем виде уравнения фильтрации в отношении динамической системы для заданных начальных условий и матрицы ковариаций вектора и ковариационной матрицы случайных возмущений , определяются следующей моделью состояний:

, (9)

где , - переходные матрицы состояний и возмущений .

Она дополняется моделью случайной помехи с ковариационной матрицей в результатах измерений, которая описывается следующей моделью измерений:

, (10)

где - матрица измерений; - случайная зашумляющая помеха.

В результате этого могут быть получены следующие зависимости, которые могут быть использованы для решения следующих задач:

- прогнозирования вектора состояния

(11)

и его ковариационной матрицы

(12)

- расчёта матричного коэффициента усиления фильтра

(13)

- определения отклонения прогнозируемой оценки от измеренного значения

; (14)

- расчёта текущей оценки вектора состояний

(15)

и ковариационной матрицы погрешностей оценок

. (16)

Представленные уравнения фильтрации подводят к выводу о том, что основные трудности их реализации при непосредственном использовании результатов измерений, подверженных САП, без их обратных преобразований, т.е. без приведения их к исходным представлениям, связаны с необходимостью однозначной интерпретации отклонений прогнозируемой оценки вектора состояний от измеренного значения. С позиций математической интерпретации это положение следует записать в следующем аналитическом виде:

, (17)

откуда естественным образом возникает необходимость введения отображения, переводящего отклонения в их требуемые значения , т.е. , которые появляются при нетрадиционном кодировании данных их образами-остатками, полученными в результате сравнений исходных значений слов-измерений X_j по модулю m.

Такое отображение может быть представлено в следующем виде:

(18)

Оно позволяет учесть особенности циклического перевода значений измеряемого параметра при вычислении его остатка b_j по модулю . Введенное отображение отличается простотой реализации и может быть встроено непосредственно в уравнения фильтрации.

Другой вариант преобразований, который реализуют в предлагаемом способе, рассматривается с использованием модели измерений, общий вид которой должен быть представлен с учётом выполняемых САП:

. (19)

В этом случае определение отклонения прогнозируемой оценки от измеренного значения будет описываться соотношением

, (20)

что не требует применения дополнительного отображения, рассмотренного ранее.

Второй вариант, использующий алгоритм дополнительного кодирования ПСАП-1, позволяет реализовать более лаконичные алгоритмы фильтрации, поскольку обеспечивает возможности использования закодированных измерительных данных, в том числе и без использования алгоритмов обратных САП (ОСАП-1). Результаты представления дисперсий шумовой помехи D[ε(k/k-1)] для случаев использования АНФ при традиционном представлении БМП (синий цвет) и при представлении образами-остатками b₁(mod 2ⁿ - 1), b₃(mod 2ⁿ + 1), где n = N/2 (красный цвет), приведены на фиг. 5. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при втором варианте обработки, когда АНФ подвергали данных представленные образами-остатками b₁(mod 2ⁿ - 1), b₃(mod 2ⁿ + 1) значения дисперсий шумовой помехи D[ε (k/k-1)] в 2-3 раза меньше. Следовательно, и точность восстановления переданных значений БМП будет выше.

В результате этого появляется возможность совместного использование различных технологий помехоустойчивого кодирования и обработки информации в СОК.

Большие объемы данных и быстро увеличивающиеся скорости передачи информации сопровождаются ухудшением показателей достоверности ее приема в виде вероятностей искажения бит (Р_б). Из-за этого она достаточно часто оказывается не пригодной для последующего использования, например, для анализа причин появления нештатных и аварийных ситуаций или результатов летных испытаний контролируемых объектов. Но в случае нештатных и аварийных ситуаций ее ценность многократно увеличивается: принятая ТМИ является уникальной, прежде всего потому, что повторное ее получение не представляется возможным. В результате причинно-следственные связи, которые привели к нештатным ситуациям и авариям, как правило, остаются нераскрытыми. Анализ такой типичной для существующей практики телеизмерений ситуации осложнен также тем, что в условиях нештатных и аварийных ситуаций значительно ухудшается качество канала связи, в результате чего существенно увеличивается число привнесенным им ошибок. Получается, что чем выше ценность информации, тем хуже ее качество. Такова объективная реальность. Возможность разрешения этого противоречия связана с обнаружением и исправлением ошибок, которые привносит радиоканал, а также с совершенствованием существующих способов обработки информации. Предлагаемый способ позволяет объединить эти два направления совершенствования существующей практики передачи и обработки информации на основе единого научно-методического подхода, связанного с нетрадиционным представлением данных, слов-измерений или сообщений их образами-остатками.

Способ обеспечивает возможность реализации наиболее простого технического решения модернизации существующей бортовой телеметрической аппаратуры (БТА), что может быть продемонстрировано на примере БРТС «ОРБИТА-IVMO» [4]. В ней для передачи быстроменяющихся параметров (БМП) используют следующие типы каналов, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Типы каналов БА «ОРБИТА-IVMO», обозначения каналов и номера разрядов двоичного кода в слове телеизмерений, занимаемых каналом при передаче БМП

Характеристика входного контролируемого параметра (канала) Частота опроса
f_o = 512 Гц Тип (Т) входного слова Число БМП в канале Количество разрядов в канале Номер канала в слове «Р» и номера разрядов двоичного кода в слове телеизмерений, занимаемых каналами Аналоговый, широкополосный
(быстроменяющийся) БМП Т21
Т22
Т23 1
2
3 8
6
4 (со 2-го по 9-й), 1 разряд – для дополнительного разрешения неоднозначности значений 0 и 16 при сравнении по mod 2⁴ +1
(с 1-го по 6-й разряды) – значения первого БМП
(с 7 по 12 разряды) - значения второго БМП
(2,3,4,1 разряды) – значения первого БМП
(8,9,11,10 разряды) - значения второго БМП
(5,6,7,12 разряды) – значения третьего БМП

В БТА «ОРБИТА-IVMO» [4] предусмотрены следующие 3 варианта формирования передаваемых значений БМП: 1) данные БМП представлены в одном канале 8-миразрядным двоичным словом (Т21); 2) данные двух БМП представлены в одном канале двумя 6-тиразрядными кодовыми словами (Т22) и 3) данные трёх БМП представлены в одном канале тремя 4-хразрядными кодовыми словами (Т23). В перечисленных случаях погрешности квантования значений БМП по амплитуде будут равны: 1) 1:2⁸ × 100%= 0,39%; 2) 1:2⁶ × 100%= 1,56% и 3) 1:2⁴ × 100%= 6,25%. Это означает, что, увеличение числа передаваемых БМП в одном телеметрическом канале в БРТС может быть обеспечено только ценой увеличения погрешности телеизмерений. При этом общая погрешность восстановления БМП на приёмной стороне не должна превышать 7%. Тогда как в третьем случае только одна её составляющая, связанная с процессом квантования аналоговых значений по амплитуде и равная 6,25%, оказывается сравнимой с предельным значением погрешности.

При использовании предлагаемого способа b_1j(mod 2ⁿ - 1), b_3j(mod 2ⁿ + 1), где n = N/2 при передаче значений БМП байтовыми словами имеются дополнительные резервы для разрешения неоднозначности значений 0 и 16 образа-остатка b_3j(mod 2⁴ +1). В случае использования второго варианта передачи двух БМП под представление b_1j(mod 2ⁿ - 1) и b_3j(mod 2ⁿ + 1) каждого из них имеется по n = 6/2 =3 разряда. При этом резервов для разрешения неоднозначности двух кодовых конструкций, соответствующих значениям <000>₂= <0>₁₀ и <1000>₂ = <8>₁₀, таких, как было в первом варианте представления значений БМП байтовыми словами, нет. В этом случае для разрешения неоднозначности используют сравнение b_1j(mod 2³ - 1) и b_3j(mod 2³ + 1). Когда b_3j(mod 2ⁿ + 1) = <000>₂= <0>₁₀, то такое же значение принимает и b_1j(mod 2³ - 1) = <000>₂= <0>₁₀. Но в случае, требующем идентификации значения b_3j(mod 2³ + 1) = <1000>₂= <8>₁₀ при отсутствии четвертого двоичного разряда, значение b_3j(mod 2³ + 1) = <1000>₂= <8>₁₀ будет идентифицировано, если b_1j(mod 2³ - 1) будет равно: <001>₂= <1>₁₀.

При этом погрешность восстановления БМП будет уменьшена на этапе обработки в СОК, например, при использовании алгоритмов АНФ применительно к каждому из остаточных процессов в отдельности, определяемых остатками b_1j(mod 2³ - 1) и b_3j(mod 2³ + 1).

При этом могут быть использованы и другие преимущества нетрадиционного представления данных в системе остаточных классов (СОК) ([10], Торгашев В.А. Система остаточных классов и надежность ЦВМ. М.: Сов. Радио, 1973.- 120 с.; [11], Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Машинная арифметика в остаточных классах. М.: Сов. Радио, 1968.-140 с.

Источники литературы

1. Способ передачи информации и система для его осуществления, патент RU №2586605, приоритет от 22.03.2013г.

2. Способ передачи информации, патент RU №2609747, приоритет от 13.08.2017г.

3. Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика: В 2т. - т.1: Методы и алгоритмы, классические и нетрадиционные, основанные на использовании конструктивной теоремы об остатках. - М.: МО РФ, 2003. - 284с.

4. Современная телеметрия в теории и на практике / Учебный курс», Спб.: Наука и Техника, 2007. - 672с, стр. 465).

5. Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи, патент RU № 2658795, приоритет от 30.05.2017г.).

6. Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации данных измерений, патент RU № 2672392, приоритет от 27.06.2017г.).

7. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. - М.: Связь, 1972. - 360с.).

8. Кузнецов В.И. Статистическая идентификация. Адаптивная фильтрация. - Промышленные АСУ и контроллеры, 2014, № 7. - с. 20-27).

9. Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами, патент RU №2607639, опубл. 27.07.2016г., бюл. №21.

10. Торгашев В.А. Система остаточных классов и надежность ЦВМ. М.: Сов. Радио, 1973. 120 с.

11. Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Машинная арифметика в остаточных классах. М.: Сов. Радио, 1968. 140 с.

Изобретение относится к системам передачи данных и может быть использовано в телеметрических системах с циклическим опросом контролируемых параметров. Способ заключается в том, что на передающей стороне осуществляют сбор сигналов от датчиков измерений, включающих в себя и датчики быстроменяющихся параметров (БМП), преобразуют их в двоичный код, обеспечивают синхронизацию сформированных слов-измерений, представленных N=2n - разрядным двоичным кодом, и формируют из них уплотненный цифровой групповой сигнал, подлежащий передаче по каналам связи, а на приемной стороне принимают полученную последовательность переданных символов двоичного кода. При этом на передающей стороне кодовые конструкции, сформированные на первом этапе кодирования слов-измерений или сообщений, представляют образами-остатками b_1j(mod m₁) и b_3j(mod m₃), которые получают в результате операций, эквивалентных делению их дискретных значений X_j, выбранных для передачи в моменты времени t_j=jΔT, где ΔT - интервал дискретизации по времени, определяемый в соответствии с теоремой о дискретизации В.А. Котельникова, на установленные модули сравнения m₁=2ⁿ-1 и m₃=2ⁿ+1. Полученные результаты дополнительного кодирования исходных значений X_j образами-остатками b_1j(mod m₁) и b_3j(mod m₃) объединяют в новые кодовые слова, таким образом, чтобы их разрядность и структура телеметрического кадра остались прежними. Для того чтобы условия приема и сбора телеметрической информации (ТМИ) остались неизменными, при приеме ТМИ восстанавливают переданные телеметрические кадры с установленной внешней структурой S_внеш, из которой выделяют дополнительно закодированные новые слова-измерения применительно к данным БМП, искаженные при передаче помехами ε_1j и ε_3j, после чего осуществляют их помехоустойчивое восстановление, обеспечивающее уменьшение интенсивности помехового воздействия и повышение вследствие этого показателей достоверности приема ТМИ. Технический результат состоит в обеспечении помехоустойчивого кодирования быстроменяющихся параметров (БМП). 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ передачи телеметрической информации, заключающийся в том, что на передающей стороне осуществляют сбор сигналов от датчиков измерений, включающих в себя и датчики быстроменяющихся параметров (БМП), преобразуют их в двоичный код, обеспечивают синхронизацию сформированных слов-измерений, представленных N=2n - разрядным двоичным кодом, и формируют из них уплотненный цифровой групповой сигнал, подлежащий передаче по каналам связи, а на приемной стороне принимают полученную последовательность переданных символов двоичного кода, отличающийся тем, что на передающей стороне кодовые конструкции, сформированные на первом этапе кодирования слов-измерений или сообщений, представляют образами-остатками b_1j(mod m₁) и b_3j(mod m₃), которые получают в результате операций, эквивалентных делению их дискретных значений X_j, выбранных для передачи в моменты времени t_j=jΔT, где ΔT - интервал дискретизации по времени, определяемый в соответствии с теоремой о дискретизации В.А. Котельникова, на установленные модули сравнения m₁=2ⁿ-1 и m₃=2ⁿ+1, полученные результаты дополнительного кодирования исходных значений X_j образами-остатками b_1j(mod m₁) и b_3j(mod m₃) объединяют в новые кодовые слова C_j = <<b_1j>₂, <b_3j>₂>₂, где обозначение < >₂ означает представление двоичным кодом, таким образом, чтобы их разрядность и структура телеметрического кадра остались прежними, соответствующими обозначению S_внеш, для того, чтобы условия приема и сбора телеметрической информации (ТМИ) остались неизменными, при приеме ТМИ восстанавливают переданные телеметрические кадры с установленной внешней структурой S_внеш, из которой выделяют дополнительно закодированные новые слова-измерения применительно к данным БМП искаженные при передаче помехами ε_1j и ε_3j: после чего осуществляют их помехоустойчивое восстановление, обеспечивающее уменьшение интенсивности помехового воздействия: ε_1j^(пв) < ε_1j и ε_3j^(пв) < ε_3j и повышение вследствие этого показателей достоверности приема ТМИ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, помимо операций «жесткого» декодирования, основу которого составляет алгоритм конструктивной теоремы об остатках, и «мягкого» декодирования переданных значений БМП на основе группового свойства равноостаточности, реализуют операции распараллеленной первичной обработки БМП с применением алгоритмов адаптивной нелинейной фильтрации, рассматривая представление значений БМП <b_3j*>₂>₂ в виде системы остаточных классов (СОК), вследствие чего обработке подвергают не исходные восстановленные значения БМП в виде с уменьшенными ошибками передачи, а выделенные в соответствующие потоки исходных данных образы-остатки <b_3j*>₂, которые рассматривают в качестве распараллеленных исходных данных, далее обработку осуществляют в отдельности по отношению к каждому из сформированных потоков восстановленных данных: и <b_3j*>₂, а полученные при этом результаты, также являющиеся гомоморфными образами традиционной обработки с уменьшенными погрешностями, восстанавливают с использованием адаптивного алгоритма конструктивной теоремы об остатках, в результате чего дополнительно повышают показатели достоверности получаемой информации о БМП.