Основы телеметрии

Система телеметрии должна воспринимать изменение какого-либо физиологического параметра, преобразовывать его в электрический сигнал, накладывать этот сигнал на несущую радиочастоту и передавать на определенное расстояние радиоприемному устройству. Основные элементы такой системы показаны на приведенной ниже схеме. Воспринимающими элементами системы могут быть различного рода датчики-преобразователи. Например, динамик радиоприемника или телевизора является типичным датчиком для преобразования электрической энергии в механическую, а затем и в энергию звуковой волны. Таким образом, воспринимающий элемент представляет собой устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.

Большинство воспринимающих элементов, используемых в космической телеметрии, содержат механические элементы, которые изменяют электрическое сопротивление, емкость или индуктивность электрических цепей, хотя существуют также особые воспринимающие элементы, работа которых основана на пьезоэлектрическом или термоэлектрическом эффекте. С их помощью можно обнаружить и преобразовать в электрические сигналы вибрацию, давление, напряжение, температуру, деформацию и другие изменения физических параметров.

Рис. 69. Блок-схема системы телеметрии, обнаруживающей изменения в скорости космического корабля. Воздух, попадая через воздухозаборник [1], оказывает давление на диафрагму [4] датчика [5], что в свою очередь изменяет положение движка потенциометра [2] и, таким образом, частоту генератора поднесущей частоты [3], сигналы которого модулируют несущую частоту ЧМ-передатчика [6]. Сигналы последнего передают информацию в эфир. Расположенное на Земле радиоприемное устройство принимает эти сигналы

На рис. 70 приведена фотография типичного воспринимающего элемента, используемого для измерения давления по изменению индуктивности. При увеличении давления в трубке она поворачивается по часовой стрелке, в результате чего изменяется индуктивность находящейся ниже катушки. Это изменение индуктивности приводит к изменению частоты генератора поднесущей частоты (ГПЧ), что в свою очередь вызывает модуляцию несущей частоты радиопередатчика.

Выходные сигналы большинства воспринимающих элементов, особенно тех, которые используют в биометрии, обычно бывают недостаточно большими, чтобы они могли непосредственно управлять ГПЧ. В таких случаях необходимы промежуточные согласующие устройства. Обычно это усилители постоянного или переменного тока, фазочувствительные модуляторы и прочие преобразователи. Они модулируют сигналы ГПЧ по амплитуде (амплитудная модуляция — AM), по фазе (фазовая модуляция — ФМ) или, что чаще всего, по частоте (частотная модуляция — ЧМ). Фото используемого в современной биотелеметрии согласующего устройства приведено на рис. 72.

Рис. 70. Датчик, используемый для измерения давления по изменению индуктивности

Выходные сигналы ГПЧ в свою очередь модулируют сигналы высокочастотного передатчика. В биотелеметрии обычно принята частотная модуляция. В этих генераторах чаще всего используются контуры с индуктивностями и емкостями, фазосдвигающие схемы с сопротивлениями и емкостями или схемы мультивибраторов. Часто воспринимающий элемент можно включить непосредственно в схему ГПЧ и таким образом исключить согласующее устройство. Успехи микроминиатюризации и разработка интегральных схем для космических исследований позволяют делать ГПЧ для биотелеметрии размером не больше кусочка сахара.

Частота даже самого высокочастотного канала ГПЧ недостаточно высока для эффективной непосредственной радиопередачи сигналов, поэтому для ее повышения приходится использовать высокочастотный радиопередатчик. Выходные сигналы нескольких ГПЧ можно объединять в один сигнал, чтобы не включать в телеметрическую систему по отдельному передатчику для каждого воспринимающего элемента. Высокочастотный радиопередатчик обычно построен по схеме ЧМ-передатчика, стабилизированного кварцем, либо ФМ-передатчика с управлением фазой с помощью кристалла. Перед излучением телеметрического сигнала антенной или антенной решеткой его обычно усиливают с помощью мощного усилителя.

На космическом корабле имеется значительное количество воспринимающих элементов, включая и его двигательную установку, поэтому было бы нерационально передавать сигналы каждого из них по отдельному каналу поднесущей частоты. Число каналов ограничивают путем разделения выходных сигналов ГПЧ по частоте или по времени либо используют оба способа одновременно. Если нужно передавать относительно небольшое количество данных, то достаточно разделения сигналов по частоте.

Рис. 71. Блок-схемы, иллюстрирующие преимущество телеметрической системы с разделением каналов по времени перед частотным разделением каналов. В системе с разделением по частоте [верхняя схема] сигналы одного датчика [внизу] модулируют один генератор поднесущей частоты [вверху]. В системе с разделением по времени [нижняя схема] с каждым генератором поднесущей частоты связано несколько датчиков [внизу], подключаемых к нему попеременно с помощью коммутатора.

Если же предстоит передавать сигналы большого числа воспринимающих элементов, то более эффективно разделение во времени. При частотном разделении сигналов каждый воспринимающий элемент модулирует один ГПЧ, а выходные сигналы всех ГПЧ смешиваются и образуют один сложный полный сигнал, который излучается радиопередатчиком.

Рис. 72. Согласующее устройство, обычно используемое в системе телеметрии для усиления сигналов, получаемых от биодатчиков [электрокардиографии]

При разделении по времени с каждым ГПЧ связано несколько воспринимающих элементов и их выходные сигналы подаются к этому ГПЧ по очереди, а не одновременно. Такая выработка производится коммутатором, или роторным переключателем, установленным между воспринимающими элементами и ГПЧ. Этот переключатель может быть либо механическим и работать от электродвигателя, либо электронным на транзисторах и диодах и работать от внешних синхронизирующих импульсов. В космической телеметрии обычно используются переключатели последнего типа, быстродействие которых намного больше. Из блок-схемы, помещенной на рис. 69, ясно видно, как много информации можно передать с помощью системы телеметрии, используя разделение сигналов по времени.

Рис. 73. Успехи физики твердого тела позволяют использовать в системах биотелеметрии миниатюрные электронные схемы. Фотография позволяет сравнить размеры согласующего устройства для телеметрического канала измерения кровяного давления космонавтов кораблей «Джеминай» [на фото снизу] с согласующим устройством того же назначения более ранней разработки для космонавтов кораблей «Меркурий»

На приемной радиостанции имеются специальные антенны с очень высоким коэффициентом направленности (с высоким усилением), необходимым, чтобы компенсировать затухание сигналов, пришедших от чрезвычайно удаленных от них телеметрических радиопередатчиков.

Рис. 74. Гигантская антенна, установленная в Джодрэлл Бэнк [Англия]. Диаметр ее приемного устройства, способного принимать очень слабые телеметрические сигналы от космического корабля, удаленного на большое расстояние, составляет 76 м

Одна из крупнейших антенн для слежения за космическими летательными аппаратами показана выше. Антенны, подобные этой, вращаются и могут сканировать по углу места (изменять угол наклона), чтобы следить за движущимся объектом. Слабые сигналы, полученные антенной, усиливаются «малошумящими» предусилителями, смонтированными на антенне, и далее по коаксиальному кабелю передаются к приемнику, где они дополнительно усиливаются и детектируются или демодулируются. Эти сигналы поступают далее к спектроанализатору для их визуального наблюдения и в то же время записываются на пленку. Записанные сигналы обрабатывают, пропуская их через ряд полосовых фильтров, которые разделяют полный телеметрический сигнал на его составляющие или на частоты, соответствующие ГПЧ, имеющимся в передатчике. Таким образом, получают информацию о недоступных для непосредственного наблюдения параметрах.

Далее…