CC BY
21
Zoran Fttipović, pukovnik, dip!, inž. Maja Marković, dipl. inž. Miiorad Pavlović, potporučnik, dipl. inž.
Vezduhopiovni opimi center.
Baujnica
OSNOVNE PERFORMANSE PCM/FM TELEMETRIJSKIH SISTEMA ZA MERENJE PARAMETARA VAZDUHOPLOVAI FIZIOLOŠKIH KARAKTERISTIKA PILOTA’
UDC: 621.398 : (623.746: 358.432-55]
Rezime:
U radu su prezentirane osnovne performanse PCM/FM telemetrijskih sistema koji se koriste za merenje fizičkih velićina letelice i ftzioloških karakteristika pilota. Sistem se sastoji od mernog podsistema koji se integriše na vazduhoplovu i kompatibiinog zemaljskog prijem-nog podsistema čija je osnovna fitnkcija obezbedenje prijema i obrade memih parametara и realnom vremenu ispitivanja, kao i detaljne posleletne analize izmerenih velićina.
KljuČne reći: PCM/FM telemetrijski sistem, merenje fizičkih veličina vazduhoplova, flziolo-ške karakteristike pitota.
MAIN PERFORMANCES OF PCM/FM TELEMETRY SYSTEMS FOR MEASURING AIRCRAFT PARAMETERS AND PILOT’S PHYSIOLOGICAL CHARACTERISTICS
Summary:
This paper describes an overall system design and performance characteristics of a PCM/FM telemetry system for measuring aircraft parameters and pilot's physiological characteristics. The system includes both an airborne data acquisition part and a ground telemetry system for real time data processing, test control, and a data processing system for post-flight analyses.
Key words: PCM/FM telemetry system, measurement ofaircraft parameters, pilot's physiological characteristics.
Uvod
Jedna od osnovnih karakteristika sa-vremenih vojnih aviona je njihova opre-mljenost sa multipleksnom serijskom magistralom podataka. Povezivanje sen-zora, sistema i podsistema posredstvom ove tehnologije, omogućilo je veliki ste-pen automatizacije razmene informacija, upravljanja i prikazivanja, čime je po-
' Rad Je saopetm re nauCnosoufnom skupu TOC KoV ptuvanje b'alticta sredstavi NVO^, 2. doccmbra 2003. u Beogndu.
stignuto znatno psihofizičko rasterećenje pilota. Ispitivanje manevarskih sposob-nosti i pouzdanosti ovako složenih elek-tronskih sistema savremenih prototipova, veoma je kompleksan i višegodiSnji pro-ces. Prototipovi letelica (aviona ili pro-jektila) se opremaju specijalnom ispitno-memom opremom (akviziciona oprema) pomoću koje se obavljaju merenja rele-vantnih parametara u različitim fazama opitnih letova. Savremena ispitivanja letelica zahtevaju merenje i obradu velikog
578
VOJNOTEHNlCKl GLASNIK 6/2003.
broja električnih i ncelektričnih veličina. Memc fizičke veličine u ispitivanjima vazduhoplova u letu imaju veoma različi-lu širinu frekvencijskog spektra, počevši od dela Hz do desetine Hz, pa čak stotine kHz. Prenos izmerenih veličina sa leteli-ce do prijemne stanice na zemlji vrši se PCM/FM (Pulse Code Modulation / Frequency Modulation) tclemetrijskim mul-tikanalnim akvizicionim sistemima.
Ovim telemetrijskim sistemom mo-guće je i ispitivanje fizioloških karakteri-stika pilota. Korišćenjem odgovarajućih biomedicinskih senzora i pretvarača mo-gu se dobiti informacije о radu srca, mi-šića, krvnom pritisku, temperaturi, stepe-nu ,»suženja“ vida (usled G opterećenja) pilota (odnosno kopilota), itd. Analogni izlazi biomedicinskih davača se digitals-zuju i „utiskuju“, zajcdno sa parametri-ma vazduhoplova, u PCM niz. Ovi poda-ci mogu se vcć u vazduhoplovu, mcmo-
risati na odgovarajudm magnetnim me-dijumima, ali se mogu i pratiti u realnom vremenu. Upravo zbog mogućnosti pra-ćenja i fizioloških karakteristika pilota u toku leta, a ne samo vazduhoplova ili opreme, sam tok ispitivanja dobija veći stepen kvaliteta i sigumosti.
Arhitektura telemetrijskog
PCM/FM sistema
PCM/FM telemetrijski sisteni sastoji se iz avionskog i zemaljskog podsistema. U avionskom podsistemu se pomoću ve-ćeg broja memih pretvarača vrSi konver-zija neelektričnih veličina (koje se mere) u odgovarajuće električne signale, koji se zatim multipleksiraju i digitalizuju (PCM), a zatim se preko jednog ili vise predajnika šalju ka zemaljskoj prijemnoj stanici (stacionamoj ili mobilnoj - u zavi-snosti od toga gde se vrSe ispitivanja).
1 *«££u« I TW,M 1 гсяммм. 1
x X t ,
REOUNOANTNIUIL-STD-1S5J8 I
SI. / - PCM/FM telemetrijski sistem na vazduhoplovu
VOJNOTEHNIĆK! GLASNIK 6/2003.
579
Stacionama i/ili mobilna prijemna stanica, pomoću dvoosne ili jednoosne parabolič-ne antene veiikog pojačanja, ,,prihvaiaju“ veoma slabe signale sa letelice i vrše ob-radu (u smislu inverznog process od onog koji se obavlja u avionskom podsistcmu) i memorisanje primljenih signala.
Obrada roemih signala u realnom vremenu (real time data processing) i post-operacionalna obrada memih para-metara (post-operational data processing) predstavljaju dva osnovna režima rada telemetrijskog sistema. Obradom memih signala u realnom vremenu dobija se uvid u meme parametre sa dovoljno ma-lim vremenom kaSnjenja od trenutka nji-hovog đogađanja. Post-operacionalna obrada memih parametara podrazumeva njihovu detaljnu analizu (rekonstrukeija leta, najbolja procena trajektorije letelice, korelisanje svih relevantnih dogadaja to-kom eksperimenta, pronalaženje svih ne-regulamosti tokom testiranja, komparaci-ja dobijenih realnih parametara sa poda-cima simuliranim u različitim fazama razvoja letelice) [1].
Avionski podsistem
Na slici 1 prikazana je arhitektura avionskog dela PCM/FM telemetrijskog sistema. Integracija kompletne elektron-ske opreme na letelicama vrši se putem vise redundantnih magistrala podataka MIL-STD-1553B (Aircraft Internal Time Division Command/Responsc Multiplex Data Bus specification). To je standard koji obezbeduje maksimalnu pouzdanost razmene informaeija izmedu pojedinih elektronskih sistema i podsistema, sa br-zinom prenosa podataka od 1 Mbit/s.
Avionski memi podsistem sastoji se od PCM enkodera (3,2 Mbita/s) koji omogućuje akvizieiju podataka sa mer-nih pretvarača, pojedinih sistema samog vazduhoplova i transmisionog dela, ko-jim se ostvaruje prenos podataka do ze-maljskog telemetrijskog podsistema. Da bi se došlo do tačnih informaeija о pou-zdanosti rada pojedinih komponenti inte-grisanog elektronskog sistema na vazdu-hoplovima koji su medusobno povezani magistralama podataka MIL-STD-1553B, neophodno je snimiti podatke sa njih u različitim evolueijama vazduhoplova i naknadno vrSiti njihovu analizu. Ovakva ispitivanja obavljaju se dirckt-nim instaliranjem specijalnih ispitnih uredaja za monitoring protoka informaci-ja na magistralama. Oni nemaju moguć-nost bilo kakvc komunikaeije sa central-nim računarom i sa ostalim sistemima na magistrali. Na osnovu I RIG (Inter Range Instrumentation Group) 106-99 standarda (Chapter 8 MIL-STD-1553 ACQU1STI-ON FORMATTING STANDARD), po-stoje dva načina za akvizieiju parametara sa magistrala podataka avionskog inte-grisanog elektronskog sistema:
- akvizieija svih podataka sa bus-a (100% full trafic bus) pomoću posebnog uredaja (Bus Data Collector), a zatim se vrSi njihova konverzija u PCM format definisan po IRIG standardu;
- akvizieija odredenog broja parametara sa bus-а u vidu formata od 1 do 1024 reCi/s. Ovu funkeiju sclektiranja odredenog broja reči obavlja poseban uredaj (Data Selector Unit), koji vrSi konverziju reči i njihovo insertiranje u generalni PCM format, koji nosi infor-maeiju о svim memim parametrima na
580
VOJNOTEHNIĆKJ GLASNIK M003.
prototipu letelice. Podaci se uzimaju sa jednog od redundantnih bus-ova, a ne si-multano; drugim rečima, samo je jedan bus aktivan u svakom trenutku [2].
Transmisioni podsistem se sastoji od predajnika telemetrijskog (PCM) sig-nala i nekoliko antcna. Predajnici rade u opsegu od 1435 MHz do 1545,5 MHz (L-opseg) i imaju dva izlaza različitih snaga (1 W i 10 W). Tipična konfiguraci-ja sastoji se od dve antene, od kojih se jedna antena ugraduje na gomju stranu
trupa (na nju se vodi izlaz predajnika od 1 W), a druga na donju stranu trupa (10 W) vazduhoplova, tako da prijemni an-tenski sistem za automatsko praćenje u zemaljskoj telemetrijskoj stanici uvek prima signal sa bar jedne predajne antene. Međutim, mora se voditi računa о tome da je izbor lokacija predajnih antena na letelici takav da je obezbeden siguran i neprekidan prenos memih podataka bez menjanja aerodinamičkih karakteristika letelice [3].
vcunotchniCkj glasnik «003.
581
Avionski biomedicinski podsistem
Radi ispitivanja fizioloSkih karak-terisiika pilota (posebno uticaj G opte-rećenja) moguće je vršiti merenja po-moću biomedicinskih senzora Ciji su analogni izlazni signali veoma malog naponskog nivoa (reda цУ). Тако mali naponskinivoi najpre se kondicioniraju (pojačavaju, filtriraju, multipleksiraju i A/D konvertuju) u posebno dizajnira-nom signal-kondicioncru (kondicioner biopotencijala), da bi se, zatim, takav signal insertirao u PCM kompozitni signal koji sadrži informaciju о svim mernim veličinama na vazduhoplovu. Nakon toga se signali prenose predaj-nim delom avionskog telemetrijskog podsistema do zemaljske prijemne sta-nice, što omogućava posmatranje fizio-loSkih karakteristika pilota u realnom vremenu. Na slici 2 prikazana je princi-pijelna Sema opisanog podsistema.
Pilot borbenog aviona često je izlo-žen velikom opterećenju (naročito u pravcu z-ose - Gz) čiji sc uticaj ublažava pomoću anti-G-odela. Tokom leta dolazi do tzv. ,,push-pull“ efekta koji nastaje kao posledica Čestog prelaza iz negativ-nog opterećenja u pozitivno opterećenje (od -3G do +7G). Uočeno je da ovakvi manevri mogu prouzrokovati udes aviona jer dovode do gubitka svesti pilota zbog smanjenja krvnog pritiska u glavi.
Biomedicinska merenja najčeSće zahtevaju postavljanje odgovarajućih senzora na grudi (EKG - elektro-kardio-gram), stomak i noge (EMG - elektro-miogram), glavu i prste (merenje arterij-skog krvnog pritiska) test-pilota (kopilo-
ta). Za ispitivanje se koristi i kolor video-kamera kojom se snimaju pokreti očiju i mimika test-subjekta. Ovaj video signal takode se preko predajnika video signala može u realnom vremenu slati ka prijem-noj tclemetrijskoj stanici [5].
Prijemni podsistem PCM/FM
sistema
Na slici 3 prikazan je uprošćeni blok-dijagram prijemnog kompatibilnog telemetrijskog sistema. Prijemni podsistem se sastoji od dvoosnog (ili jednoo-snog) antenskog sistema, dva prijemnika PCM signala i jednog diversiti kombajne-ra. Prijemnici su superheterodini sa dvo-strukom konverzijom (prva MF je 160 MHz, a druga MF je 20 MHz) i sklopom za automatsku kontrolu pojačanja. Mogu-će je korišćenje različitih oblika tehnika diversitija: frekveneijski, fazni, prostomi, vremenski i ugaoni. Signali sa izlaza prijemnika PCM signala vode se u diversiti kombajner optimalnog odnosa, koji ima mogućnosti simultanog predetekcijskog i postdetekcijskog kombinovanja i pobolj-Šanje odnosa signal/šum od 2,5 dB.
Dekomutacija i sinhronizaeija PCM signala obavlja se u kompatibilnom de-komutatoru. Pretprocesor omogućuje konverziju izmerenih veličina u ftzičke jedinice, sračunavanje izvedenih veličina i dekomutaeiju podataka sa magistrala 1553. Centralni raćunar upravlja radom telemetrijske stanice omogućujući dva osnovna moda rada: obradu i prezentaci-ju izmerenih parametara u realnom vremenu i detaljnu obradu svih izmerenih veliCina u posle-letnim analizama.
582
VOJNOTKHNlCKI GUSNIK 6^003.
Koodtckxm Ьиоошки*)«
SI. 4 - Šema razmeštaja avionskog telemetrijskog podsistema za merenje parametora vazduhoplova i
fizioloških karakteristika pilota
Praktične konfiguracije PCM/FM telemetrijskog sistema
Na slici 4 prikazana je šema razme-štaja kompletnog avionskog telemetrijskog podsistema za merenje parametara vazduhoplova i fizioloških karakteristika pilota na jednom vojnom vazduhoplovu.
Na slici 5 prikazana je konfiguracija avionskog PCM akvizicionog sistema in-tegrisanog na helikopteru, zajedno sa tro-osnim memim pretvaračima ubrzanja i ugaonih brzina. Osnovna konfiguracija sastoji se od programabilnog akvizicionog računara i digitalnog magnetnog re-gistratora koji omogućuje merenje oko 100 parametara.
Na slici 6 prikazana je konfiguracija transmisionog podsistema koji je integri-san na helikopteru, i koji omogućuje isto-vremeni prenos kompozitnog PCM/FM telemetrijskog signala koji sadrži informa-ciju о velikom broju memih veličina, i vi-deosignala sa kamere koja snima karak-teristične detalje tokom letnih ispitivanja.
Na slici 7 prikazana je unutrašnjost mobilne telemetrijske stanice koja se sastoji od prijemnog podsistema i računar-skog dela. Prijemni podsistem se sastoji od prijemne antene velikog pojačanja i više prijemnika koji omogućuju prijem i demodulaciju visokofrckventnog nosioca
SI. 5 - Avionski PCM akvizicioni sistem SI. 6 - Avionski iransmisioni podsistem
vowotehniCki glasnik 6nm
583
PCM i video-signala sa udaljenog vazdu-hoplova (100 km). Računarski deo omo-gućuje demultiplcksiranje, procesiranje signala i prezentaciju memih veličina u fizičkim jedinicama u realnom vremenu praćenja. na odgovarajućim grafićkim stanicama.
Tokom čitavog leta vr§i se snimanje PCM i video signala koji se detaljno obraduju tokom postletnih analiza upo-trebom specijalnih softverskih paketa.
Zaključak
Osnovna funkcija PCM/FM teleme-trijskog sistema je omogućavanje pou-zdanog i neprekidnog prenosa signala iz-merenih veličina, sa letelice koja se ispi-
tuje do zemaljske prijemne stanice. lspi-tivanjc prototipova savremenih vojnih vazduhoplova u letu veoma je složen i dugotrajan proces, i obavlja se primenom kompleksne ispitno-meme telemetrijske opreme.
Savremena ispitivanja letelica sa po-sadom podrazumevaju, pored praćenja njenih relevantnih parametara, i monitoring fizioloških karakteristika pilota. To se postiže upotrebom odgovarajućih bio medicinskih senzora koji u realnom vremenu, u toku leta, daju informacije о ra-du srca, mišića, krvnom pritisku i tem-peraturi pilota, koje su naročito intere-santne u specifičnim manevrima letelice a Što može uticati i na krajnje propisiva-nje njene upotrebe.
Ncadekvatan izbor komponenata te-lemetrijskog sistema, i ncpoznavanje teh-noloških postupaka u procesu njegove aplikacije na vazduhoplovima, prouzro-kuje nekvalitetno praćenje ispitivanja vazduhoplova u realnom vremenu, što je nedopustivo kod ispitivanja prototipova vazduhoplova, jer može doći do ugroža-vanja bezbednosti letelice i posade.
Liieraru/a:
III Mari О vie, M.; FilipoviC, Z; Pavlov »ć, D.: PCM/FM tele-metrijiki sistemi a merenje parametara vazduhoplova i ft-zioloiilh karakteristika pilota, TELFOR 2002. Beograd, 2002.
|2] Markovid, M.; Filipović. Z: Pavlov id, D.: Dizajmranje parametara PCM/FM telcmccrijskog sistema. TELFOR 2001, Beograd, 2001.
(3) IRIG document 106-86, Telemetry Standards. Tclcmetiy Group, Range Commanders Council, 1986.
(4) Pavlović, M.; FilipovtC, Z; Martovic, M.: Merenje parametara sa magistrals podataka MIL 1553B tokom procesa ispitivanja vazduhoplova u letu, ETRAN, Tesltd, 2002.
(5) Caballero, R.: Flight Test Instnimentation of the Push-Pull Effect on a CF-18 Aircraft, ITC/USA, Las Vegas. 1999.
5S4
VOJNOTEHNlCKI GLASNIK 6/2003.
