Достижения телеметрической техники (Р. Джеффрис)

Область применения телеметрии очень широка. В промышленности она используется уже свыше 30 лет. Например, нефтепроводы управляются сейчас промышленными телеметрическими системами. Одна из форм промышленной телеметрии - управление сетями общественного пользования, осуществляемое регулирующими системами с центральной станции. Но ни один из типов этого оборудования не является последним словом телеметрической техники. Для каждого из них существуют свои собственные проблемы, которые относятся главным образом к внешним условиям их применения.

В области биологической телеметрии, как мне стало ясно из того, что говорилось сегодня, всех вас чрезвычайно интересует вопрос о размерах передатчиков и о взаимосвязи датчиков и передающих элементов. Но для нас, представителей космической телеметрии, эти вопросы не относятся к технологии. Говоря о технологии, я имею в виду принципиальные методы телеметрии в отличие от их воплощения в реальных приборах.

Немного раньше кто-то здесь сделал довольно пренебрежительное замечание насчет приборов, которые уже должны были бы выпускаться промышленностью и все еще не выпускаются. Я попытаюсь описать истинное положение дел в космической телеметрии, указывая как на созданные уже приборы, так и на то, что будет спроектировано в ближайшем будущем. Я думаю, что во многих случаях те цифры, которые я могу вам назвать, и те методы, о которых я могу рассказывать, для вас относятся еще пока к будущему. В целом они не предназначены для удовлетворения ваших наиболее неотложных нужд, но когда вы удовлетворите свою первоочередную потребность в хорошем датчике и крошечном передатчике, вам придется столкнуться с большими потоками данных, с различными способами кодирования и передачи информации и с различными методами восстановления данных. Границы телеметрии связаны с возможностями техники, и здесь я постараюсь быть возможно более точным.

Мне хочется разделить то, что часто называют "аппаратурной цепью", на три участка. Первый из них называют датчиком, или сенсорным органом, или измерительной частью цепи, второй - выходным устройством. Это может быть воспроизводящее устройство, электронно-лучевой осциллограф, осциллограф с записью, индикаторный прибор; наконец это может быть устройство памяти, в частности записывающее устройство. (В настоящее время в устройствах памяти чаще всего пользуются магнитной записью.) Это может быть также большая цифровая машина. Наша цель состоит в том, чтобы произвести все измерения с помощью датчика и получить результаты в выходном устройстве, в форме, удобной для интерпретации и анализа. Между этими двумя участками находится третий, где происходит формирование сигнала, переработка данных, телеметрическая передача, кодирование и декодирование, калибровка и т. п.; это те процессы, которые воздействуют на изначальную информацию, поступающую отдатчиков, и представляют ее в доступной и понятной форме в выходном устройстве.

Современные телеметрические системы

Телеметрия попадает именно в эту среднюю область. Существует несколько методов телеметрии. Я начну с устройств, обычно называемых аналоговыми системами.

Аналоговая телеметрия предусматривает, что аналоговое представление интересующей нас переменной дается электрическим сигналом, который затем в аналоговой форме передается по каналу и появляется в выходном устройстве. Замечательной чертой аналоговой системы является возможность непрерывной передачи информации, так что если требуется проследить за изменениями какой-то величины при том или ином несчастном случае, то в наших руках оказывается непрерывная запись вплоть до последнего момента. Если вы имеете дело с явлениями, очень быстро протекающими во времени, при которых интересующая нас информация возникает с частотой примерно 100 гц - 500 кгц, следует, по-видимому, использовать тип аналоговой системы. В настоящее время наилучшими системами такого рода являются применяемые в космических исследованиях телеметрические системы с частотной модуляцией, в которых аналоговое напряжение осуществляет частотную модуляцию поднесущей. Обычно используют сразу несколько поднесущих вместе, осуществляя многоканальную передачу. Эти поднесущие затем используются для модуляции в радиопередатчике.

Существуют специальные стандарты (IRIG), по которым можно выбрать выпускаемую в настоящий момент аппаратуру, рассчитанную на передачу данных по каналу с частотной модуляцией в диапазоне частот примерно от 6 гц до 10 кгц. Эти цифры - предел для существующих стандартов. Правда, за последние шесть месяцев появилось оборудование, позволяющее передавать данные, изменяющиеся с частотой до 300 кгц при частоте поднесущей 1 Мгц. Я уверен, что в ближайшие три года эти цифры возрастут до 5 Мгц для поднесущей и 1 Мгц - для частоты передачи данных. Это означает, что вы сможете передавать по каналам с частотной модуляцией переходные процессы, при которых изменения происходят с частотой 1 Мгц. Число каналов, которое может быть обслужено современным оборудованием, ограничено (в одном устройстве уплотнения) некоторой комбинацией из 23 имеющихся в настоящее время каналов, что позволяет передавать по каналу с частотной модуляцией данные, изменяющиеся с частотой от 6 гц примерно до 10 кгц. Помимо стандартов, мы в настоящее время можем получить уплотнение примерно из 1000 каналов с частотной модуляцией. Я уверен, что через 5 лет эта цифра достигнет 10000.

Другая форма телеметрии основана на использовании различных характеристик передаваемого импульса. Часто длительность импульса пропорциональна величине измеряемого параметра. Для этого типа телеметрии также существуют стандарты IRIG, в соответствии с которыми можно получать оборудование.

Вы можете использовать также амплитудно-импульсную модуляцию; надо сказать, что в некоторых ракетных и космических программах с большим успехом используется АИМ-ЧМ телеметрия. Во всех таких системах используется радиосвязь с частотной модуляцией, чтобы устранить влияние затухания сигнала. Регистрировать работу этих систем, пользуясь современными методами магнитной записи, не имеет смысла из-за присущей этому виду записи неоднозначности воспроизведения амплитуды сигнала.

Существуют также системы, основанные на фазово-импульсной модуляции, в которых информация передается временным кодом. Такие системы можно охарактеризовать как импульсные дискретные системы, поскольку явления, информацию о которых требуется передать по каналу связи, наблюдаются дискретно и в дальнейшем преобразуются в сигнал, конфигурация которого является функцией времени. Таким образом, то, что наблюдения производятся в дискретные промежутки времени (обычно периодически, хотя это и не обязательно), приводит к некоторой ошибке. Как протекает процесс между отсчетами, мы не знаем, и поэтому такие системы можно применять для телеметрии лишь тех процессов, где отсутствие информации в промежутках между отсчетами не играет большой роли. Эта техника очень надежна, когда мы снимаем показания большого числа датчиков, замеряющих медленно меняющиеся процессы; допустим, например, что вы поместили 1000 термопар на спину кита для определения его температуры и что вы хотите использовать один канал и один передатчик, последовательно снимая показания со всех 1000 датчиков. Для этого вам потребуется коммутатор. В таких случаях метод широтно-импульсной модуляции крайне удобен.

Два года назад чаще всего использовались электромеханические коммутаторы, рассчитанные на 900 отсчетов в секунду. Сегодня можно купить электронные коммутаторы, которые производят до 50000 отсчетов в секунду. Я уверен, что в течение ближайших двух лет эта цифра поднимется до 200000. Между прочим, объем коммутатора на 50000 отсчетов в секунду равен примерно объему двух пачек сигарет.

Третий метод телеметрии - это импульсно-кодовая модуляция. Система этого типа также является дискретной системой, в которой аналоговая величина амплитуды переменной преобразуется в импульсно-кодовую комбинацию, позволяющую затем представить аналоговый сигнал с любой степенью разрешения. Вы просто добавляете нужное число двоичных разрядов и получаете лучшее разрешение - но не точность. Все вы работаете с приборами и знаете разницу между точностью и разрешающей способностью, и потому я просто скажу, что эта процедура увеличивает разрешающую способность, но совершенно ничего не дает в смысле точности.

Конечно, за увеличение разрешающей способности (которая в наше время зачастую достигает 1/10000000) приходится расплачиваться расширением полосы пропускания системы. Если вы собираетесь снимать отсчеты очень часто и представлять их посредством двоичного кода при разрешении в 1/10000000, то для этого может потребоваться полоса частот порядка 4 Мгц при частоте изменения данных в 10 кгц. Поэтому вы не можете располагать многими каналами для одновременной передачи такого рода информации. Приведем для примера следующие цифры: в настоящее время серийное оборудование, использующее импульсно-кодовую модуляцию, рассчитано на скорости передачи от 6 бит/сек до 280000 бит/сек. Через 6-18 месяцев эта цифра достигнет 800000 бит/сек. (Перспективные стандарты IRIG для систем с импульсно-кодовой модуляцией предусматривают максимальную скорость передачи 800000 бит/сек.)

Как видно из приведенных выше характеристик различных телеметрических систем, эти системы в основном предназначены для решения проблем, которые не столь остро стоят перед нами, а именно проблемы передачи больших потоков информации от многих датчиков, где главную роль играет время переработки. В настоящее время применение таких систем ограничивается размерами памяти.

Сейчас существуют регистрирующие устройства с магнитной записью, обладающие частотной характеристикой от 0 до 1,5 Мгц, т. е. вы можете записывать данные с частотой вплоть до 1,5 Мгц.

Правительственные стандарты не допускают произвольного использования этого спектра. Имеющиеся стандарты запрещают пользоваться определенными интервалами спектра, причем со временем эти ограничения становятся все более жесткими. Таким образом, при наличии большого числа каналов, равноценных по количеству передаваемой информации, указанная выше полоса частот передающей и записывающей аппаратуры используется сравнительно неэффективно. В последние 6 месяцев была разработана серийная аппаратура и методика, позволяющие использовать каналы передачи информации с постоянной шириной полосы. Вы сможете взять любое число таких каналов и, расположив их друг за другом, "заполнить" весь доступный спектр. В принципе, если у вас есть система с шириной полосы 1,5 Мгц и ширина полосы изменения данных на каждый канал составляет 1000 гц, вы могли бы разделить эти 1,5 Мгц на 1500 каналов. Конечно, на практике вы должны оставить место для правительственных каналов. В современной практике правительственные каналы занимают примерно половину всего доступного спектра.

Как я уже указал, аппаратуру для каналов с постоянной полосой пропускания уже можно приобрести. Однако легко видеть, что если бы для каждого такого канала существовало особое устройство, то потребитель столкнулся бы с необходимостью собирать или покупать бесконечное количество всевозможных устройств.

Этого можно избежать, используя 5 основных блоков, которые можно купить и затем сместить их рабочую частоту в любую желаемую область доступного спектра. Такое оборудование производится серийно. Подобная техника передачи дает еще то дополнительное удобство, что можно записать данные на магнитофон на одной скорости, а "проигрывать" их на другой, используя одно и то же оборудование на всех скоростях.

Итак, в настоящее время возможно записывать данные на одной скорости, проигрывать их на другой и вообще использовать одно и то же оборудование для сбора данных и их кодирования, декодирования и воспроизведения.

Два новых метода

Только что на горизонте появился еще один метод, идея которого настолько проста, что можно только удивляться, почему до нее не додумались раньше. Этот метод еще не применяется, и я думаю, что широкое распространение он получит не раньше, чем через 2-3 года. Называется он предетекторной записью.

Если рассмотреть приемную часть телеметрического канала, то мы найдем, что обычно она состоит из приемника, декодирующего устройства и, наконец, воспроизводящего или регистрирующего устройства. На передающем конце находится измерительное оборудование и (в передатчике) какое-либо устройство для многократной передачи.

Следовательно, та информация, которая в конечном счете поступает к экспериментатору, состоит из принятых антенной сигналов, которые искажаются сначала в приемнике, затем в декодирующем и в воспроизводящем устройствах, причем ко всему этому часто добавляется искажение информации, связанное с чьей-то субъективной интерпретацией, когда по тем или иным причинам отбрасывается какая-то часть данных. Очевидно, хотелось бы поместить свободное от искажений регистрирующее устройство прямо на приемную антенну. Идея достаточна проста, но до настоящего времени у нас не было, да и сейчас еще нет, регистрирующего устройства для непосредственной записи радиочастотных сигналов. Нужен небольшой электронный прибор, работающий без искажений.

Совсем недавно были созданы приборы, приближающиеся к этому идеалу. Во всяком случае, существует аппаратура, в достаточной мере свободная от искажений, чтобы можно было применить этот метод. В самых последних программах космических исследований уже ведутся подобного рода эксперименты. Насколько мне известно, сейчас имеется по крайней мере пять работающих систем такого типа.

Используя предетекторную регистрацию, можно записать на магнитной ленте исходные неискаженные данные и хранить их сколь угодно долго, изготовлять любое число копий в любой форме и затем пропускать эту информацию через декодирующие устройства. Экспериментатор может записать эти данные в цифровой форме и хранить эту запись хоть двадцать лет, так что позднее, по мере развития более совершенной техники восстановления данных, ученые смогут вернуться к этой записи, чтобы работать с оригинальными данными и, быть может, смогут извлечь из них еще большую информацию.

Теперь я хочу перейти к описанию последнего действительного нового метода, который только входит в употребление. Как я уже указывал, в настоящее время нас очень интересуют цифровые телеметрические системы, как из-за их неограниченной разрешающей способности, так и (в еще большей степени) из-за удобства последующего ввода данных в большие цифровые вычислительные машины.

Чаще всего инженеры, занимающиеся проектированием цифровых систем переработки данных, приобретают свой технический опыт, работая с цифровыми вычислительными машинами. Вычислительная же машина "любит" сигналы без помех - никакого шума, никакого искажения. В телеметрических системах, в частности в системах с радиоканалом или даже с проводной связью, мы получаем "смазанный" сигнал, где на информационный импульс накладывается шум. Вычислительная машина не может работать с такими сигналами, так что при этом необходимо иметь прибор, "очищающий" сигнал от шума и воспроизводящий его в "чистом" виде для последующего ввода в вычислительную машину.

Такое "очистительное" устройство существует. Принцип его работы очень интересен. Приходящий сигнал подвергается корреляционному анализу, в результате чего устанавливается, какой кодовой комбинации он соответствует. Неважно, передаете ли вы вместе с данными специальные импульсы для синхронизации. Сигнал пропускается через коррелятор в течение определенного времени, так что отбрасывается все, что приходит между возможными "периодами" импульсов. Устройство производит интегрирование, т. е. накопление энергии сигнала в течение указанного времени. Если шум носит случайный характер, то он будет примерно одинаково часто вычитаться из сигнала и складываться с ним, так что в результате интегрирования он в значительной степени уничтожится. Существует произвольно установленное пороговое значение этого интеграла, которое дает возможность принимать относительно простое решение типа "да - нет". Если интеграл энергии превосходит этот порог, то принимается решение, что импульс действительно был передан. Основываясь на этом решении, встроенный в приемное устройство генератор импульсов формирует новый стандартный импульс. Таким образом, выходной сигнал - это не первоначальный сигнал, очищенный от шума; это скорее последовательность заново сформированных на месте приема абсолютно чистых импульсов, несколько запаздывающих по отношению к первоначальному сигналу.

Это совсем новый метод. Широко он еще не используется, но я предвижу, что в большинстве новых цифровых телеметрических систем на их приемном конце будет установлено что-нибудь в этом роде.

Мне хотелось бы сказать еще о двух достижениях космической телеметрии, имеющих непосредственное отношение к биологии. В проблеме передачи информации от датчика к передающему устройству важную роль играет проблема снабжения энергией. Имеются два варианта решения этой проблемы.

1. Применение передатчика, работающего на солнечной энергии. Эта энергия извлекается из окружающей среды и может обеспечить работу передатчика в течение многих лет.

2. Снабжение энергией посредством направленного луча. При этом передатчик является в то же время приемником энергии; она передается направленным лучом и возбуждает передатчик, который затем посылает ее обратно.

Очевидно, на первый план здесь сразу выступает проблема эффективности, но в обеих областях уже проделана значительная работа. Такого рода передатчики уже существуют, и я уверен, что эта область будет развиваться по мере развития исследования космоса.

Обсуждение доклада

Шмитт. По поводу биотелеметрии мне хотелось бы сказать следующее. Я думаю, что мы не должны постоянно выступать в роли нищих, создавая впечатление, что существует замечательная телеметрическая аппаратура, именно то, что нам нужно, и если бы мы могли заполучить ее, то все было бы в порядке. Значительная часть современного телеметрического оборудования невероятно дорога, неуклюжа и непригодна для биологических измерений. Если вы не можете придумать ничего лучшего, чем клянчить какую-нибудь такую систему у военных или у кого-нибудь другого, - ну что ж, это ваше дело. Но я думаю, вы быстро убедитесь, что для биологических целей гораздо больше подойдут системы, которые мы собираемся использовать в сравнительно недалеком будущем.

Приведу несколько примеров. Вы говорили о телеметрических кодах. Но мы ничего не услышали о бивалентных кодах. Их можно трактовать и как дискретные, и как непрерывные коды, что очень удобно для многих биологических целей. Экспоненциальные коды также очень хороши, так как они выражают относительное изменение каждой величины. Так, вам не нужно заботиться о микроне, когда вы имеете дело с метром, но когда вы имеете дело с величиной в микрон, для вас десятая микрона - это очень много. В последнее время мы занимались также кодами, которые называем продольными. Они удивительно удобны для многих биологических задач. Я подсчитал, например, что посредством этой методики километр магнитной записи можно сократить до двух метров. Так что это великолепные коды, созданные как по заказу для биологов. Я думаю, нам надо заняться ими.

Эклунд. Д-р Джеффрис, каково положение дел в области микроминиатюрных батарей - ртутных или даже солнечных? Это, конечно, зависит от необходимой для данного эксперимента мощности, но предположим, требуется измерить температуру медведя, находящегося в спячке. Через какой промежуток времени придется будить медведя, чтобы сменить его батарею? Кроме того, каков порядок величины излучаемой энергии у передатчиков, о которых вы говорили раньше?

Джеффрис. Я думаю, что д-р Крэйхед лучше меня ответит вам на вопрос о медведях. Что же касается вопроса о батареях, то дело обстоит так. Когда мы оборудуем спутник, мы должны предусмотреть работу батарей в течение, например, года, при мощности передатчика 50-100 мвт. Таковы порядки величин.

Крэйхед. Батареи, которыми мы сейчас пользуемся в наших экспериментах с медведями, рассчитаны примерно на 60 дней работы.

Муллинс. Мне хотелось бы поднять вопрос о сигнале - о порядке мощности, которая нужна для передачи информации на различные расстояния. Может быть, вы скажете несколько слов на эту тему.

Джеффрис. Я могу привести лишь несколько примеров, но не думаю, что мог бы сделать какие-либо важные обобщения. Это и не имеет смысла, ибо такие факторы, как спектр частот полезного сигнала, высота и характеристики антенн, диапазон передаваемых частот, обесценивают любое обобщение, касающееся порядка мощности. Все эти соображения хорошо изложены в статье Шарла-Нильсена "Проектирование радиоканала" (см. труды Национальной конференции по телеметрии, состоявшейся в 1956 г.).

Важно отметить, что для каналов с частотной модуляцией, использующих полосу промежуточных частот, порог в 10 дб при использовании фазово-синхронной демодуляции не является пределом и может быть уменьшен примерно на 3 дб на октаву, если ширина полосы передаваемой информации становится меньше ширины, соответствующей индексу модуляции 3,6.

В телеметрии на больших расстояниях обычно используется передатчик с выходной мощностью 2-4 вт для расстояний примерно до 150 км при полосе модуляции около 80 кгц. Однако установлено, что эти величины варьируют в широких пределах, в зависимости от факторов, описанных в работе Шарла-Нильсена. Часто, согласно программе, нужно передавать во время различных состояний запуска в космическое пространство различные виды данных - то аналоговые данные, то импульсные или даже импульсно-кодовые, то запасенные ранее, то полученные в тот же момент времени. Существуют теоретические расчеты, позволяющие указать требуемую оптимальную мощность в течение каждой такой фазы передачи на основе определенных допущений относительно расстояния, среды, в которой происходит передача, и т. п. Однако на практике обычно полагаются на то, что оказалось приемлемым в прошлом. Такое признание плохо звучит среди ученых, но мы, инженеры, часто берем то, что было успешным в прошлом, и пытаемся выжать из этого еще кое-что и для настоящего.