Телеметрия — это сбор на месте измерений или других данных в удаленных точках и их автоматическая передача на приемное оборудование ( телекоммуникации ) для мониторинга. [1] Слово происходит от греческих корней tele , «удаленный», и metron , «мера». Системы, которым для работы требуются внешние инструкции и данные, требуют аналога телеметрии: телекоманды . [2]
Хотя этот термин обычно относится к беспроводным механизмам передачи данных (например, с использованием радио , ультразвуковых или инфракрасных систем), он также охватывает данные, передаваемые через другие среды, такие как телефонная или компьютерная сеть , оптическая связь или другие проводные коммуникации, такие как носители линий электропередач. Многие современные системы телеметрии используют преимущества низкой стоимости и повсеместности сетей GSM , используя SMS для приема и передачи телеметрических данных.
Телеметр — это физическое устройство, используемое в телеметрии. Он состоит из датчика , пути передачи и устройства отображения, записи или управления. Электронные устройства широко используются в телеметрии и могут быть беспроводными или проводными, аналоговыми или цифровыми . Возможны также другие технологии, такие как механические, гидравлические и оптические. [3]
Телеметрию можно коммутировать , чтобы обеспечить передачу нескольких потоков данных в фиксированном кадре .
Начало промышленной телеметрии относится к паровой эпохе , хотя датчик в то время не назывался телеметром . [4] Примерами являются дополнения Джеймса Уатта (1736-1819) к его паровым машинам для контроля с (близкого) расстояния, такие как ртутный манометр и регулятор с шаровым приводом . [4]
Хотя изначально телеметр относился к дальномерному устройству ( дальномерный телеметр ), к концу 19 века этот же термин широко использовался инженерами-электриками, применявшими его к электрическим устройствам, измеряющим многие другие величины, помимо расстояния (например, в патенте на «Электрический телеметрический передатчик» [5] ). Общие телеметры включали такие датчики, как термопара (из работы Томаса Иоганна Зеебека ), термометр сопротивления ( Уильяма Сименса на основе работы Гемфри Дэви ) и электрический тензодатчик (основанный на открытии лорда Кельвина , что проводники под механической деформацией изменяют свое сопротивление ) и выходные устройства, такие как телеграфный зонд Сэмюэля Морзе и реле . В 1889 году это привело к тому, что автор в трудах Института гражданских инженеров предположил, что термин для дальномерного телеметра может быть заменен на тахеометр . [6]
В 1930-х годах использование электрических телеметров быстро росло. Электрический тензодатчик широко использовался в ракетных и авиационных исследованиях, а радиозонд был изобретен для метеорологических измерений. Наступление Второй мировой войны дало толчок промышленному развитию, и с тех пор многие из этих телеметров стали коммерчески жизнеспособными. [7]
Продолжая исследования ракет, радиотелеметрия использовалась регулярно, когда началось освоение космоса. Космические корабли находятся в месте, где физическое соединение невозможно, оставляя радио или другие электромагнитные волны (например, инфракрасные лазеры) в качестве единственного жизнеспособного варианта для телеметрии. Во время пилотируемых космических миссий она используется для контроля не только параметров корабля, но и здоровья и жизнеобеспечения астронавтов. [8] Во время Холодной войны телеметрия нашла применение в шпионаже. Американская разведка обнаружила, что они могут отслеживать телеметрию с испытаний советских ракет, построив собственный телеметр для перехвата радиосигналов и, следовательно, узнать много о советских возможностях. [9]
Телеметры — это физические устройства, используемые в телеметрии. Они состоят из датчика , пути передачи и устройства отображения, записи или управления. Электронные устройства широко используются в телеметрии и могут быть беспроводными или проводными, аналоговыми или цифровыми . Возможны также другие технологии, такие как механические, гидравлические и оптические. [10]
Телеметрическая информация по проводам берет свое начало в 19 веке. Одна из первых схем передачи данных была разработана в 1845 году между Зимним дворцом русского царя и армейским штабом. В 1874 году французские инженеры построили систему датчиков погоды и глубины снега на Монблане, которая передавала информацию в реальном времени в Париж . В 1901 году американский изобретатель К. Михалке запатентовал сельсин , схему для отправки синхронизированной информации о вращении на расстояние. В 1906 году был построен ряд сейсмических станций с телеметрией в Пулковскую обсерваторию в России. В 1912 году Commonwealth Edison разработала систему телеметрии для контроля электрических нагрузок в своей электросети. Панамский канал (завершен в 1913–1914 годах) использовал обширные системы телеметрии для контроля шлюзов и уровня воды. [11]
Беспроводная телеметрия впервые появилась в радиозонде , разработанном одновременно в 1930 году Робертом Бюро во Франции и Павлом Молчановым в России . Система Молчанова модулировала измерения температуры и давления, преобразуя их в беспроводной код Морзе . Немецкая ракета V-2 использовала систему примитивных мультиплексированных радиосигналов под названием «Мессина» для передачи четырех параметров ракеты, но она была настолько ненадежной, что Вернер фон Браун однажды заявил, что было бы полезнее наблюдать за ракетой через бинокль.
В США и СССР система Мессины была быстро заменена лучшими системами; в обоих случаях, основанными на импульсно-позиционной модуляции (ФПМ). [12] Ранние советские ракетные и космические телеметрические системы, которые были разработаны в конце 1940-х годов, использовали либо ФПМ (например, телеметрическая система Трал, разработанная ОКБ-МЭИ), либо широтно-импульсную модуляцию (например, система РТС-5, разработанная НИИ-885). В Соединенных Штатах ранние работы использовали похожие системы, но позже были заменены импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) (например, в марсианском зонде Маринер-4 ). Более поздние советские межпланетные зонды использовали избыточные радиосистемы, передавая телеметрию с помощью ФПМ в дециметровом диапазоне и ФПМ в сантиметровом диапазоне. [13]
Телеметрия используется метеозондами для передачи метеорологических данных с 1920 года.
Телеметрия используется для передачи информации о механике бурения и оценке пласта вверх по скважине в режиме реального времени по мере бурения скважины. Эти услуги известны как Измерение во время бурения и Каротаж во время бурения . Информация, полученная на глубине тысяч футов под землей во время бурения, отправляется через скважину на поверхностные датчики и программное обеспечение демодуляции. Волна давления (sana) преобразуется в полезную информацию после DSP и шумовых фильтров. Эта информация используется для оценки пласта , оптимизации бурения и геонавигации .
Телеметрия является ключевым фактором в современных автогонках, позволяя гоночным инженерам интерпретировать данные, собранные во время теста или гонки, и использовать их для правильной настройки автомобиля для оптимальной производительности. Системы, используемые в таких сериях, как Формула-1, стали продвинутыми до такой степени, что потенциальное время круга автомобиля может быть рассчитано, и это время является тем, что водитель должен соответствовать. Примерами измерений на гоночном автомобиле являются ускорения ( G-силы ) по трем осям, показания температуры, скорость колеса и смещение подвески. В Формуле-1 также записывается ввод водителя, чтобы команда могла оценить производительность водителя, а (в случае аварии) FIA может определить или исключить ошибку водителя как возможную причину.
Более поздние разработки включают двустороннюю телеметрию, которая позволяет инженерам обновлять калибровки на автомобиле в режиме реального времени (даже когда он находится на трассе). В Формуле-1 двусторонняя телеметрия появилась в начале 1990-х годов и состояла из отображения сообщений на панели приборов, которые команда могла обновлять. Ее разработка продолжалась до мая 2001 года, когда она была впервые разрешена на автомобилях. К 2002 году команды смогли изменять карту двигателя и отключать датчики двигателя из боксов, пока автомобиль находился на трассе. [ необходима цитата ] В сезоне 2003 года FIA запретила двустороннюю телеметрию в Формуле-1; [14] однако эта технология может использоваться в других типах гонок или на дорожных автомобилях.
Односторонняя телеметрическая система также применяется в гоночных автомобилях с дистанционным управлением для получения информации от датчиков автомобиля, таких как: обороты двигателя, напряжение, температура, дроссельная заслонка.
В транспортной отрасли телеметрия предоставляет значимую информацию о транспортном средстве или работе водителя, собирая данные с датчиков внутри транспортного средства. Это делается по разным причинам: от контроля за соблюдением требований персоналом, оценки страховки до предиктивного обслуживания.
Телеметрия используется для связи устройств подсчета трафика с регистраторами данных для измерения транспортных потоков, а также длины и веса транспортных средств. [15]
Телеметрия используется в железнодорожной отрасли для измерения состояния путей . Это позволяет оптимизировать и сфокусировать предиктивное и профилактическое обслуживание. Обычно это делается с помощью специализированных поездов, таких как New Measurement Train, используемый в Соединенном Королевстве компанией Network Rail , который может проверять дефекты путей, такие как проблемы с шириной колеи и деформации рельсов. [16] Япония использует похожие, но более быстрые поезда, прозванные Doctor Yellow . [17] Такие поезда, помимо проверки путей, также могут проверять, есть ли какие-либо проблемы с воздушным источником питания (контактной сетью), где он установлен. Специализированные компании по проверке рельсов, такие как Sperry Rail , [18] имеют свои собственные индивидуальные железнодорожные вагоны и тележки, оборудованные рельсовыми колесами, которые используют различные методы, включая лазеры, ультразвук и индукцию (измерение возникающих магнитных полей от подачи электричества в рельсы) для обнаружения любых дефектов. [19]
Большинство мероприятий, связанных со здоровыми культурами и хорошими урожаями, зависят от своевременного наличия данных о погоде и почве. Поэтому беспроводные метеостанции играют важную роль в профилактике заболеваний и точном орошении. Эти станции передают на базовую станцию параметры, необходимые для принятия решений: температуру воздуха и относительную влажность , осадки и влажность листьев (для моделей прогнозирования заболеваний), солнечную радиацию и скорость ветра (для расчета эвапотранспирации ), датчики стресса дефицита воды (WDS) листьев и влажность почвы (имеют решающее значение для принятия решений по орошению).
Поскольку местные микроклиматы могут значительно различаться, такие данные должны поступать из самой культуры. Станции мониторинга обычно передают данные обратно по наземному радио , хотя иногда используются спутниковые системы. Солнечная энергия часто используется, чтобы сделать станцию независимой от электросети.
Телеметрия важна в управлении водными ресурсами , включая функции измерения качества воды и расхода воды . Основные приложения включают AMR ( автоматическое считывание показаний счетчиков ), мониторинг грунтовых вод , обнаружение утечек в распределительных трубопроводах и наблюдение за оборудованием. Наличие данных, доступных почти в реальном времени, позволяет быстро реагировать на события на местах. Управление телеметрией позволяет инженерам вмешиваться в работу таких активов, как насосы, и удаленно включать или выключать насосы в зависимости от обстоятельств. Телеметрия водораздела является превосходной стратегией внедрения системы управления водными ресурсами. [20]
Телеметрия используется в сложных системах, таких как ракеты, RPV, космические аппараты , нефтяные вышки и химические заводы , поскольку она позволяет осуществлять автоматический мониторинг, оповещение и ведение записей, необходимые для эффективной и безопасной работы. Космические агентства, такие как NASA , ISRO , Европейское космическое агентство (ESA) и другие агентства используют системы телеметрии и/или телеуправления для сбора данных с космических аппаратов и спутников.
Телеметрия жизненно важна при разработке ракет, спутников и самолетов, поскольку система может быть разрушена во время или после испытания. Инженерам нужны критические системные параметры для анализа (и улучшения) производительности системы. При отсутствии телеметрии эти данные часто были бы недоступны.
Телеметрия используется пилотируемыми и беспилотными космическими аппаратами для передачи данных. Расстояния более 10 миллиардов километров были преодолены, например, Вояджером 1 .
В ракетной технике телеметрическое оборудование является неотъемлемой частью ракетных полигонов , используемых для контроля положения и состояния ракеты-носителя для определения критериев прекращения безопасного полета на полигоне (целью полигона является общественная безопасность). К проблемам относятся экстремальные условия (температура, ускорение и вибрация), энергоснабжение , выравнивание антенны и (на больших расстояниях, например, в космическом полете ) время прохождения сигнала .
Сегодня почти каждый тип самолета , ракеты или космического корабля несет беспроводную телеметрическую систему во время испытаний. [21] Авиационная мобильная телеметрия используется для безопасности пилотов и людей на земле во время летных испытаний. Телеметрия от бортовой системы летных испытательных приборов является основным источником измерений в реальном времени и информации о состоянии, передаваемой во время испытаний пилотируемых и беспилотных самолетов. [22]
Перехваченная телеметрия была важным источником разведданных для Соединенных Штатов и Великобритании, когда проводились испытания советских ракет; для этой цели Соединенные Штаты управляли постом прослушивания в Иране . В конце концов, русские обнаружили сеть сбора разведданных Соединенных Штатов и зашифровали их сигналы телеметрии испытаний ракет. Телеметрия также была источником для Советов, которые управляли судами прослушивания в заливе Кардиган , чтобы подслушивать испытания ракет Великобритании, проводимые в этом районе [ требуется ссылка ] .
На заводах, в зданиях и домах потребление энергии такими системами, как HVAC, контролируется в нескольких местах; соответствующие параметры (например, температура) отправляются с помощью беспроводной телеметрии в центральное место. Информация собирается и обрабатывается, что позволяет максимально эффективно использовать энергию. Такие системы также облегчают профилактическое обслуживание .
Многие ресурсы необходимо распределить по обширным территориям. Телеметрия полезна в этих случаях, поскольку она позволяет логистической системе направлять ресурсы туда, где они необходимы, а также обеспечивать безопасность этих активов; основными примерами этого являются сухие грузы, жидкости и гранулированные сыпучие материалы.
Сухие товары, такие как упакованные товары, могут отслеживаться и дистанционно контролироваться, отслеживаться и инвентаризироваться с помощью систем RFID -датчиков, считывателей штрихкодов , считывателей оптического распознавания символов (OCR) или других сенсорных устройств, соединенных с телеметрическими устройствами, для обнаружения RFID-меток , этикеток со штрихкодами или других идентификационных маркеров, прикрепленных к товару, его упаковке или (для крупных товаров и оптовых партий) прикрепленных к его транспортному контейнеру или транспортному средству. Это облегчает знание их местонахождения и может регистрировать их статус и расположение, как когда товар со штрихкодовыми этикетками сканируется через считыватель на кассе в системах точек продаж в розничном магазине. Стационарные или ручные сканеры штрихкодов RFID или оптические считыватели с удаленной связью могут использоваться для ускорения отслеживания и подсчета запасов в магазинах, на складах, в отгрузочных терминалах, у транспортных перевозчиков и на заводах. [23] [24] [25]
Жидкости, хранящиеся в резервуарах, являются основным объектом постоянной коммерческой телеметрии. Обычно это включает мониторинг резервуарных парков на нефтеперерабатывающих заводах и химических заводах, а также распределенных или удаленных резервуаров, которые должны пополняться, когда они пусты (как резервуары для хранения на АЗС, резервуары для домашнего отопительного масла или резервуары для сельскохозяйственных химикатов на фермах), или опорожняться, когда они полны (как при добыче из нефтяных скважин, накопленных отходах и вновь произведенных жидкостях). [26] Телеметрия используется для передачи переменных измерений расхода и датчиков уровня резервуара, обнаруживающих движения жидкости и/или объемы с помощью пневматического , гидростатического или дифференциального давления; ультразвуковых , радиолокационных или доплеровских эхосигналов, ограниченных резервуаром ; или механических или магнитных датчиков. [26] [27] [28]
Телеметрия сыпучих материалов является обычной для отслеживания и сообщения о состоянии объема и состояния зерновых и кормовых бункеров для скота, порошкообразной или гранулированной пищи, порошков и гранул для производства, песка и гравия и других гранулированных сыпучих материалов. В то время как технология, связанная с мониторингом резервуаров с жидкостью, также применяется, отчасти, к гранулированным сыпучим материалам, иногда требуется сообщение об общем весе контейнера или других валовых характеристиках и условиях из-за более сложных и изменчивых физических характеристик сыпучих материалов. [29] [30]
Телеметрия используется для пациентов ( биотелеметрия ), которые подвержены риску аномальной сердечной активности, как правило, в отделении коронарной терапии . Специалисты по телеметрии иногда используются для мониторинга многих пациентов в больнице. [31] Такие пациенты оснащены измерительными, записывающими и передающими устройствами. Журнал данных может быть полезен для диагностики состояния пациента врачами . Функция оповещения может предупреждать медсестер , если пациент страдает от острого (или опасного) состояния.
Системы доступны в отделениях терапевтического и хирургического ухода для мониторинга с целью исключения заболеваний сердца или для контроля реакции на антиаритмические препараты, такие как амиодарон .
Новое и развивающееся применение телеметрии находится в области нейрофизиологии или нейротелеметрии. Нейрофизиология — это изучение центральной и периферической нервной системы посредством регистрации биоэлектрической активности, как спонтанной, так и стимулированной. В нейротелеметрии (НТ) электроэнцефалограмма ( ЭЭГ) пациента контролируется удаленно зарегистрированным технологом ЭЭГ с использованием передового программного обеспечения для связи. Цель нейротелеметрии — распознать ухудшение состояния пациента до появления физических признаков и симптомов.
Нейротелеметрия является синонимом непрерывного видеомониторинга ЭЭГ в реальном времени и применяется в отделении мониторинга эпилепсии, нейрореанимации, педиатрической реанимации и реанимации новорожденных. Из-за трудоемкой природы непрерывного мониторинга ЭЭГ НТ обычно проводится в крупных академических учебных больницах с использованием внутренних программ, которые включают технологов РЭЭГ, персонал ИТ-поддержки, невролога и нейрофизиолога, а также персонал поддержки мониторинга.
Современные скорости микропроцессоров, программные алгоритмы и сжатие видеоданных позволяют больницам централизованно записывать и контролировать непрерывные цифровые ЭЭГ нескольких пациентов в критическом состоянии одновременно.
Нейротелеметрия и непрерывный мониторинг ЭЭГ предоставляют динамическую информацию о функции мозга, которая позволяет на ранней стадии выявлять изменения неврологического статуса, что особенно полезно в условиях ограниченного клинического обследования.
_worker_with_a_transponder_attached_to_its_back,_visiting_an_oilseed_rape_flower.png/1280px-A_bumblebee_(Bombus_terrestris)_worker_with_a_transponder_attached_to_its_back,_visiting_an_oilseed_rape_flower.png){kind=spacer}
Телеметрия используется для изучения дикой природы [32] и была полезна для мониторинга находящихся под угрозой исчезновения видов на индивидуальном уровне. Изучаемые животные могут быть оснащены измерительными метками, которые включают датчики, измеряющие температуру, глубину и продолжительность погружения (для морских животных), скорость и местоположение (с использованием пакетов GPS или Argos ). Телеметрические метки могут предоставить исследователям информацию о поведении животных, их функциях и окружающей среде. Затем эта информация либо сохраняется (с архивными метками), либо метки могут отправлять (или передавать) свою информацию на спутник или портативное приемное устройство. [33] Отлов и маркировка диких животных может подвергнуть их некоторому риску, поэтому важно минимизировать эти воздействия. [34]
На семинаре 2005 года в Лас-Вегасе было отмечено внедрение телеметрического оборудования, которое позволило бы торговым автоматам передавать данные о продажах и запасах на маршрутный грузовик или в штаб-квартиру. [ требуется ссылка ] Эти данные можно было бы использовать для различных целей, например, чтобы исключить необходимость для водителей совершать первую поездку, чтобы посмотреть, какие товары необходимо пополнить, прежде чем доставлять запасы.
Ритейлеры также используют RFID- метки для отслеживания запасов и предотвращения краж в магазинах. Большинство этих меток пассивно реагируют на RFID-считыватели (например, на кассе), но доступны активные RFID-метки, которые периодически передают информацию о местоположении на базовую станцию.
Телеметрическое оборудование полезно для отслеживания лиц и имущества в правоохранительных органах. Ошейник на лодыжку, который носят осужденные на пробации, может предупредить власти, если человек нарушает условия своего условно-досрочного освобождения , например, отходит от разрешенных границ или посещает неразрешенное место. Телеметрия также позволила использовать автомобили-приманки , когда правоохранительные органы могут оснастить автомобиль камерами и оборудованием для слежения и оставить его в месте, где, как они ожидают, его угонят. В случае кражи телеметрическое оборудование сообщает местонахождение транспортного средства, что позволяет правоохранительным органам деактивировать двигатель и заблокировать двери, когда его останавливают прибывшие сотрудники полиции.
В некоторых странах телеметрия используется для измерения количества потребляемой электроэнергии. Счетчик электроэнергии взаимодействует с концентратором , который отправляет информацию через GPRS или GSM на сервер поставщика энергии. Телеметрия также используется для удаленного мониторинга подстанций и их оборудования. Для передачи данных иногда используются системы фазовой линии связи, работающие на частотах от 30 до 400 кГц.
В соколиной охоте «телеметрия» означает небольшой радиопередатчик, который носит хищная птица и который позволяет владельцу птицы отслеживать ее, когда она находится вне поля зрения.
Телеметрия используется для тестирования враждебных сред, которые опасны для человека. Примерами могут служить хранилища боеприпасов, радиоактивные объекты, вулканы, глубоководные районы и открытый космос.
Телеметрия используется во многих беспроводных системах с питанием от батарей, чтобы информировать персонал, осуществляющий мониторинг, о том, что заряд батареи приближается к низкому уровню и конечному устройству требуются новые батареи.
В горнодобывающей промышленности телеметрия служит двум основным целям: измерение ключевых параметров горнодобывающего оборудования и мониторинг мер безопасности. [35] Информация, полученная в результате сбора и анализа ключевых параметров, позволяет выявить первопричины неэффективных операций, небезопасных мер и неправильного использования оборудования для максимального повышения производительности и безопасности. [36] Дальнейшее применение технологии позволяет обмениваться знаниями и передовым опытом в рамках всей организации. [36]
В программном обеспечении телеметрия используется для сбора данных об использовании и производительности приложений и компонентов приложений, например, как часто используются определенные функции, измерения времени запуска и времени обработки, оборудования, сбоев приложений и общей статистики использования и/или поведения пользователя. В некоторых случаях сообщаются очень подробные данные, такие как отдельные метрики окон, количество используемых функций и индивидуальные временные интервалы функций.
Этот вид телеметрии может быть необходим разработчикам программного обеспечения для получения данных из самых разных конечных точек, которые невозможно протестировать внутри компании, а также для получения данных о популярности определенных функций и о том, следует ли отдавать им приоритет или рассматривать возможность удаления. Из-за проблем с конфиденциальностью , поскольку программная телеметрия может легко использоваться для профилирования пользователей, телеметрия в пользовательском программном обеспечении часто является выбором пользователя, обычно представленным как функция отказа (требующая явного действия пользователя для ее отключения) или выбора пользователя во время процесса установки программного обеспечения.
Как и в других областях телекоммуникаций, существуют международные стандарты для телеметрического оборудования и программного обеспечения. Международные органы по разработке стандартов включают Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS) для космических агентств, Группу по междиапазонному приборостроению (IRIG) для ракетных полигонов и Координационный комитет по стандартам телеметрии (TSCC), организацию Международного фонда телеметрии.
