СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК G08C17/00 B63G8/00 H04B11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к телеметрии, в частности к системам распространения информации в сплошных средах, а именно к системам передачи телеметрической информации в водной среде с одного подводного объекта на другой.

Уровень техники

Известно устройство для телеизмерения гидрологических параметров, содержащее датчики, выходы которых соединены с информационными входами коммутатора, блок запуска, генератор тактовых импульсов, элемент И, выход которого соединен с входом передатчика, блок ключевых элементов и элемент задержки (SU, авторское свидетельство №942113, G08C 19/28, Опубл. 07.07.1982 г., Бюл. №25). В устройство введены регистр сдвига и преобразователь кода, выход коммутатора соединен с информационным входом блока ключевых элементов, выход которого соединен с информационным входом преобразователя кода, выход преобразователя кода соединен с первыми входами элемента И и элемента задержки, выход которого соединен с установочным входом преобразователя кода, первый, второй и третий выходы генератора тактовых импульсов соединены соответственно с вторым входом элемента И, вторым входом элемента задержки и входом блока запуска, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с управляющими входами соответственно коммуникатора, регистра сдвига, блока ключевых элементов и преобразователя кода.

Недостаток такого устройства для телеизмерения гидрологических параметров заключается в том, что в борьба с многолучевыми искажениями сводится к формированию защитного интервала между блоками данных, что ведет к существенному снижению скорости.

Известна система для адаптивного приема, анализа и передачи телеметрической информации, содержащая набор «n» датчиков, преобразователи, фильтры, усилители, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и настройки системы по уровням, задатчик уровней для анализа, блок анализа, блок управления частотой опроса, задатчик частоты опроса, таймер, блок формирования и кодирования сигналов порогового уровня, блок формирования и кодирования экстремальных сигналов, блок формирования и кодирования сигналов предельного уровня, запоминающее устройство, коммутатор, канал связи, источник питания, преобразователь источника питания, в которой датчики, преобразователи, фильтры и усилители соединены последовательно и подключены первыми выходами к входам аналого-цифрового преобразователя, вторыми выходами - к запоминающему устройству, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с блоком анализа, входами соединенным с блоком управления и настройки системы по уровням через задатчик уровня для анализа, вторыми входами блок анализа соединен с выходом блока управления частотой опроса, подключенным через задатчик частоты опроса, третьими входами блок анализа соединен с таймером, который другими выходами подключен к запоминающему устройству, первым входом подключенному к блоку анализа, соединенному вторым, третьим и четвертым выходами через блоки формирования и кодирования сигналов порогового уровня, экстремальных сигналов и предельного уровня с запоминающим устройством, подключенного также ко вторым выходам усилителей, а выходом запоминающее устройство соединено через коммутатор с каналом связи, блоки системы подключены к источнику питания, входом соединенному с преобразователем источника питания (RU, патент №2313816, G05D 1/00, Опубл. 27.12.2007 г., Бюл. №36).

Недостаток такой системы для адаптивного приема, анализа и передачи телеметрической информации заключается в том, что в отсутствие канала анализа импульсной характеристики канала многолучевые искажения фактически являются аддитивной помехой и не позволяют собрать энергию отдельных лучей перед декодированием информации.

Наиболее близкой к заявленной системе является гидроакустическая система подводной связи для передачи цифровой информации асинхронным двоичным кодом, состоящая из широкополосных передатчика и приемника, в которой передатчик содержит источник цифровой кодовой информации, подключенный к задающему генератору и первому генератору тактовых импульсов, управляющему задающим, выход задающего генератора подключен к усилителю мощности, нагруженному излучающим гидрофоном, а приемник содержит последовательно включенные приемную антенну, входной широкополосный фильтр, усилитель принимаемых частот, преобразователь принимаемых частот в промежуточную частоту, усилитель промежуточной частоты и частотный детектор, а также второй генератор тактовых импульсов, управляющий преобразователем принимаемых частот и входным широкополосным фильтром (RU, патент №2597685, G01S 13/10, G09B 9/00, Опубл. 20.09.2016 г., Бюл. №26). В передатчике задающий генератор выполнен в виде первого микропроцессорного синтезатора сетки поочередно генерируемых частот, число которых равняется удвоенному числу информационных битов двоичной кодовой комбинации, каждая частота используется однократно для передачи очередного бита кодовой комбинации, а значения сетки частот сдвинуты между собой на один фиксированный шаг для передачи очередного нулевого или единичного бита кодовой информации, при этом для передачи стартовых посылок асинхронного двоичного кода первый синтезатор генерирует дополнительную частоту вне диапазона частот информационных битов. В приемнике преобразователь принимаемых частот выполнен в виде второго микропроцессорного синтезатора сетки поочередно генерируемых частот, число которых равняется числу битов двоичной кодовой комбинации, каждая частота используется однократно для приема очередного бита информации, а значения частот сдвинуты относительно частот первого синтезатора в передатчике на один фиксированный шаг между нулевыми и единичными битами, при этом битовая синхронизация второго синтезатора частот осуществляется стартовыми импульсами второго генератора тактовых импульсов, а байтовая синхронизация осуществляется стартовыми импульсами асинхронного двоичного кода на дополнительной частоте. Входной широкополосный фильтр приемника построен в виде дискретно-перестраиваемого резонансного LC-контура со схемой управления, состоящей из набора конденсаторов, подключаемых к резонансному контуру транзисторными ключами, которые управляются параллельным двоичным кодом, поступающим на их затворы с выходов второго тактового генератора. В приемнике частотный детектор построен по двухчастотной дифференциальной схеме и состоит из двухчастотных цифровых фильтров с квадратичными детекторами на выходах, подключенных к входам порогового элемента сравнения амплитуд сигналов, выполненного в виде компаратора с регулируемым уровнем срабатывания, а также из третьего цифрового частотного фильтра с квадратичным детектором, подключенным к управляющему входу второго генератора тактовых импульсов.

Недостатком такого устройства является низкая устойчивость к селективно-частотным помехам (помеха, сосредоточенная в узкой полосе, будет приводить к ошибкам в определенных битах) и отсутствие устойчивости.

Раскрытие сущности изобретения

В основу изобретения положена техническая проблема, заключающаяся в создании системы передачи телеметрической информации подводного аппарата, обеспечивающей передачу телеметрической информации в водной среде в условиях наличия многолучевой интерференции.

При этом техническим результатом является повышение помехоустойчивости передачи телеметрической информации при наличии многолучевых искажений с сохранением заданной скорости передачи информации.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что система передачи телеметрической информации подводного аппарата, включающая снабженный излучающим гидрофоном широкополосный передатчик и снабженный приемной антенной широкополосный приемник, снабжена принимающим информацию от бортовой системы управления подводного аппарата и передающим ей информацию устройством формирования и обработки сигналов, содержащим генератор синхронизирующей последовательности, генератор информационных последовательностей, соединенное с широкополосным передатчиком устройство сдвига и кодирования, соединенный с широкополосным приемником многоканальный квадратурный коррелятор, обнаруживающий акустические лучи в приемном сигнале, обусловленные многолучевым распространением сигнала, и осуществляющий их сложение со сдвигом с учетом их энергетических весовых коэффициентов, и устройство декодирования, обеспечивающее получение информации в нескольких информационных каналах при общей синхронизации, при этом генератор синхронизирующей последовательности соединен с устройством сдвига и кодирования и с многоканальным квадратурным коррелятором, генератор информационных последовательностей соединен с устройством сдвига и кодирования и с устройством декодирования, а многоканальный квадратурный коррелятор соединен с устройством декодирования.

Благодаря наличию принимающего информацию от бортовой системы управления подводного аппарата и передающего ей информацию устройства формирования и обработки сигналов, содержащего генератор синхронизирующей последовательности, генератор информационных последовательностей, соединенное с широкополосным передатчиком устройство сдвига и кодирования, соединенный с широкополосным приемником многоканальный квадратурный коррелятор, обнаруживающий акустические лучи в приемном сигнале, обусловленные многолучевым распространением сигнала, и осуществляющий их сложение со сдвигом с учетом их энергетических весовых коэффициентов, и устройство декодирования, обеспечивающее получение информации в нескольких информационных каналах при общей синхронизации, и при этом соединению генератора синхронизирующей последовательности с устройством сдвига и кодирования и с многоканальным квадратурным коррелятором, соединению генератора информационных последовательностей с устройством сдвига и кодирования и с устройством декодирования, а также соединению многоканального квадратурного коррелятора с устройством декодирования обеспечивается передача телеметрической информации в водной среде в условиях наличия многолучевой интерференции. При этом повышается помехоустойчивость передачи телеметрической информации при наличии многолучевых искажений с сохранением заданной скорости передачи информации.

Устройство формирования и обработки сигналов, содержащее генератор синхронизирующей последовательности, генератор информационных последовательностей, соединенное с широкополосным передатчиком устройство сдвига и кодирования, соединенный с широкополосным приемником многоканальный квадратурный коррелятор, обнаруживающий акустические лучи в приемном сигнале, обусловленные многолучевым распространением сигнала, и осуществляющий их сложение со сдвигом с учетом их энергетических весовых коэффициентов, и устройство декодирования, обеспечивающее получение информации в нескольких информационных каналах при общей синхронизации, обеспечивает повышение помехоустойчивости за счет сложения энергии акустических лучей определенных на этапе синхронизации. Наличие процедуры сложения акустических лучей позволяет избавиться от аддитивной помехи многолучевых искажений, а увеличенная длительность синхросигнала, несмотря на высокую заданную скорость, позволяет обработать все энергетически значимые лучи.

Входящий в устройство формирования и обработки сигналов генератор синхронизирующей последовательности формирует синхронизирующую псевдослучайную последовательность заданного значения,

автокорреляционная функция которой имеет один главный отклик и низкий уровень побочных значений, обеспечивающий однозначное определение начала последовательности во временной области корреляционным методом.

При этом генератор информационных последовательностей формирует набор информационных псевдослучайных последовательностей заданного значения, выбранных таким образом, что функция взаимной корреляции между собой и с синхронизирующей последовательностью принимает минимальное значение. Автокорреляционная функция информационной последовательности также имеет только один ярко выраженный максимум, что позволяет в синхронизированном сигнале однозначно определить сдвиг последовательности, кодирующий значение информации.

Входящее в устройство формирования и обработки сигналов устройство сдвига и кодирования, соединенное с широкополосным передатчиком, обеспечивает сдвиг информационных последовательностей в соответствие с значениями передаваемой информации и складывает информационные последовательности с синхронизирующими, формируя тем самым сигнал, который может модулировать несущую и быть передан через водную среду.

Соединенный с широкополосным приемником многоканальный квадратурный коррелятор, обнаруживающий акустические лучи в приемном сигнале, обусловленные многолучевым распространением сигнала, и осуществляющий их сложение со сдвигом с учетом их энергетических весовых коэффициентов, обеспечивает обнаружение наиболее сильного акустического луча и дополнительных лучей, энергия которых может дать положительный вклад в качество декодирования.

Устройство декодирования, обеспечивающее получение информации в нескольких информационных каналах при общей синхронизации, анализируя короткие информационные сигналы с низким уровнем взаимной корреляции в пределах длительности синхронизирующего сигнала, обеспечивает определение сдвига каждой информационной последовательности, преобразуя сдвиг в принимаемое значение информации.

При этом благодаря соединению генератора синхронизирующей последовательности с устройством сдвига и кодирования и с многоканальным квадратурным коррелятором, соединению генератора информационных последовательностей с устройством сдвига и кодирования и с устройством декодирования, а также соединению многоканального квадратурного коррелятора с устройством декодирования обеспечивается единство последовательностей, используемых в приеме и передаче.

Соединение многоканального квадратурного коррелятора с устройством декодирования позволяет декодировать уже синхронизированный сигнал.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется следующими блок-схемами. На фиг. 1 представлена блок-схема системы передачи телеметрической информации подводного аппарата; на фиг. 2 представлена блок-схема устройства формирования и обработки сигналов системы передачи телеметрической информации подводного аппарата. Осуществление изобретения

Система передачи телеметрической информации подводного аппарата включает снабженный излучающим гидрофоном 1 широкополосный передатчик 2, снабженный приемной антенной 3 широкополосный приемник 4 и устройство формирования и обработки сигналов 5, принимающим информацию от бортовой системы управления подводного аппарата и передающим ей информацию. Устройство формирования и обработки сигналов 5 содержит генератор синхронизирующей последовательности 6, генератор информационных последовательностей 7, соединенное с широкополосным передатчиком 2 устройство сдвига и кодирования 8, соединенный с широкополосным приемником 4 многоканальный квадратурный коррелятор 9, обнаруживающий акустические лучи в приемном сигнале, обусловленные многолучевым распространением сигнала, и осуществляющий их сложение со сдвигом с учетом их энергетических весовых коэффициентов, и устройство декодирования 10, обеспечивающее получение информации в нескольких информационных каналах при общей синхронизации. При этом генератор синхронизирующей последовательности 6 соединен с устройством сдвига и кодирования 8 и с многоканальным квадратурным коррелятором 9, генератор информационных последовательностей 7 соединен с устройством сдвига и кодирования 8 и с устройством декодирования 10, а многоканальный квадратурный коррелятор 9 соединен с устройством декодирования 10.

Система передачи телеметрической информации подводного аппарата работает следующим образом.

Система передачи телеметрической информации подводного аппарата обеспечивает передачу телеметрической информации в водной среде с одного подводного объекта на другой.

Бортовая система управления подводного аппарата при выполнении работ периодически по программе формирует телеметрическую информацию в виде телеметрического кадра, содержащего, например, свои географические координаты, курс, глубину погружения, а также номер шага программы и передает его в устройство сдвига и кодирования 8 устройства формирования и обработки сигналов 5 системы передачи телеметрической информации. Информационный кадр в устройстве сдвига и кодирования 8 сначала преобразуется в поток символов, кратных (n-1), на значения которых сдвигаются загруженные от генератора информационных последовательностей 7 информационные последовательности. Значения сдвинутых информационных последовательностей, умноженные на несдвинутую синхронизирующую последовательность от генератора синхронизирующей последовательности 6 образуют информационную компоненту сигнала. Синхронизирующий сигнал формируется отдельно значениями несдвинутой синхронизирующей последовательностью от генератора синхронизирующей последовательности 6. Далее сумма двух сигналов, умноженная на несущую частоту, попадает на широкополосный передатчик 2 и через излучающий гидрофон 1 излучается в водную среду.

Проходя через водную среду сигнал, особенно на мелководье, многократно отражается от дна и поверхности и в точку приема приходит в виде суммы лучей, каждый из которых характеризуется амплитудой и сдвигом. Если время прихода отраженного луча превосходит половину длительности синхронизирующей последовательности, то такой луч не может быть обнаружен и является аддитивной помехой при приеме. При заданной скорости передачи информации порядка 0,05 бит/с на Гц несущей частоты информации в заданном частотном диапазоне порядка 8-10 кГц однозначно определяется длительность информационного сигнала порядка 70 мс, что недостаточно для сбора энергии лучей. В тоже время применение более длинного синхросигнала, например, в 8 раз, обеспечит более 0,5 с длительность сигнала. Система за счет корреляции синхросигнала способна найти энергетические лучи в пределах половины длительности синхросигнала, что при скорости звука в 1420 м/с будет соответствовать разности хода лучей около 350 м, что достаточно в большинстве случаев для указанного выше частотного диапазона. За счет применения более длительного синхронизирующего сигнала и набора коротких информационных сигналов с низким уровнем взаимной корреляции и достигается повышение помехоустойчивости при многолучевых искажениях. При приеме входного сигнала он в точке приема попадает на приемную антенну 3, а затем демодулируется широкополосным приемником 4. Сигнал с широкополосного приемника 4 пропускается через многоканальный коррелятор 9, который оценивает импульсную характеристику в канале синхронизации путем поэлементного умножения на элемент синхронизирующей последовательности от генератора синхронизирующей последовательности 6 с последующим сложением в пределах длительности последовательности. Далее в устройстве декодирования 10 по наибольшему значению корреляции определяется сдвиг функции синхронизации и с его учетом осуществляется сдвиг входных данных, которые путем поэлементного умножения на элемент информационной последовательности от генератора информационных последовательностей 7 с последующим сложением в пределах длительности последовательности преобразуются в сдвиг информационной последовательности, несущий в себе закодированную информацию. Процесс декодирования информации повторяется при сложении данных с нулевым сдвигом для наибольшей корреляции со сдвинутой и масштабированной копией сигнала до тех пор, пока критерий качества, определяемый как уровень корреляции в информационном канале, не достигнет максимального значения. При достижении максимального значения функции корреляции, значения сдвига информационных последовательностей содержат в себе декодированную информацию.

Полученные данные формируются в массив, собираются в пакет и передаются в качестве принятой информации в бортовую систему управления подводного аппарата.

Устройство формирования и обработки сигналов может быть реализовано с применением цифрового сигнального процессора или с применением программируемой логической интегральной схемы.

Изобретение относится к телеметрии, в частности к системам передачи телеметрической информации в водной среде с одного подводного объекта на другой. Технический результат - повышение помехоустойчивости передачи телеметрической информации при наличии многолучевых искажений с сохранением заданной скорости передачи информации. Система передачи телеметрической информации подводного аппарата снабжена принимающим информацию от бортовой системы управления подводного аппарата и передающим ей информацию устройством формирования и обработки сигналов, содержащим генератор синхронизирующей последовательности, генератор информационных последовательностей, соединенное с широкополосным передатчиком устройство сдвига и кодирования, соединенный с широкополосным приемником многоканальный квадратурный коррелятор, обнаруживающий акустические лучи в приемном сигнале, обусловленные многолучевым распространением сигнала, и осуществляющий их сложение со сдвигом с учетом их энергетических весовых коэффициентов, и устройство декодирования, обеспечивающее получение информации в нескольких информационных каналах при общей синхронизации. 2 ил.

Система передачи телеметрической информации подводного аппарата, включающая снабженный излучающим гидрофоном широкополосный передатчик и снабженный приемной антенной широкополосный приемник, отличающаяся тем, что она снабжена принимающим информацию от бортовой системы управления подводного аппарата и передающим ей информацию устройством формирования и обработки сигналов, содержащим генератор синхронизирующей последовательности, генератор информационных последовательностей, соединенное с широкополосным передатчиком устройство сдвига и кодирования, соединенный с широкополосным приемником многоканальный квадратурный коррелятор, обнаруживающий акустические лучи в приемном сигнале, обусловленные многолучевым распространением сигнала, и осуществляющий их сложение со сдвигом с учетом их энергетических весовых коэффициентов, и устройство декодирования, обеспечивающее получение информации в нескольких информационных каналах при общей синхронизации, при этом генератор синхронизирующей последовательности соединен с устройством сдвига и кодирования и с многоканальным квадратурным коррелятором, генератор информационных последовательностей соединен с устройством сдвига и кодирования и с устройством декодирования, а многоканальный квадратурный коррелятор соединен с устройством декодирования.