Телеметрия — это сбор измерений или других данных на месте в удаленных точках и их автоматическая передача на приемное оборудование ( телекоммуникацию ) для мониторинга. [1] Это слово происходит от греческих корней «теле» — «удаленный» и «метрон » — «мера». Системы, которым для работы необходимы внешние инструкции и данные, требуют аналога телеметрии: телекоманды . [2]
Хотя этот термин обычно относится к механизмам беспроводной передачи данных (например, с использованием радио , ультразвуковых или инфракрасных систем), он также охватывает данные, передаваемые по другим средам, таким как телефонная или компьютерная сеть , оптическая линия связи или другие проводные средства связи, такие как линии электропередачи. Многие современные системы телеметрии используют преимущества низкой стоимости и повсеместности сетей GSM , используя SMS для приема и передачи данных телеметрии.
Телеметр — это физическое устройство, используемое в телеметрии . Он состоит из датчика , тракта передачи и устройства отображения, записи или управления. Электронные устройства широко используются в телеметрии и могут быть беспроводными или проводными, аналоговыми или цифровыми . Возможны и другие технологии, например механические, гидравлические и оптические. [3]
Телеметрию можно коммутировать , чтобы обеспечить передачу нескольких потоков данных в фиксированном кадре .
Начало промышленной телеметрии приходится на эпоху пара , хотя в то время датчик еще не назывался телеметром . [4] Примерами являются дополнения Джеймса Уатта (1736-1819) к его паровым двигателям для мониторинга с (близкого) расстояния, такие как ртутный манометр и шаровой регулятор . [4]
Хотя первоначальный телеметр относился к дальномерному устройству (дальномерному телеметру ), к концу XIX века этот же термин широко использовался инженерами-электриками, применяя его для обозначения устройств с электрическим приводом, измеряющих многие другие величины, помимо расстояния (например, в патент на «Электрический телеметрический передатчик» [5] ). Общие телеметры включали такие датчики, как термопара (из работы Томаса Иоганна Зеебека ), термометр сопротивления (автор Уильям Сименс на основе работы Хамфри Дэви ) и электрический тензодатчик (основанный на открытии лорда Кельвина , что проводники под механическое напряжение меняет их сопротивление ) и устройства вывода, такие как телеграфный эхолот Сэмюэля Морзе и реле . В 1889 году это побудило автора в докладе Института инженеров-строителей предположить, что термин, обозначающий дальномерный телеметр, можно заменить термином «тахеометр» . [6]
В 1930-е годы использование электрических телеметров быстро росло. Электрический тензодатчик широко использовался в ракетных и авиационных исследованиях, а для метеорологических измерений был изобретен радиозонд . Начало Второй мировой войны дало толчок промышленному развитию, и отныне многие из этих телеметров стали коммерчески жизнеспособными. [7]
Продолжая ракетные исследования, радиотелеметрия использовалась регулярно во время освоения космоса. Космический корабль находится в месте, где физическое соединение невозможно, поэтому радио или другие электромагнитные волны (например, инфракрасные лазеры) остаются единственным жизнеспособным вариантом телеметрии. Во время пилотируемых космических полетов он используется для контроля не только параметров корабля, но и здоровья и жизнеобеспечения космонавтов. [8] Во время Холодной войны телеметрия нашла применение в шпионаже. Американская разведка обнаружила, что они могут контролировать телеметрию испытаний советских ракет, построив собственный телеметр для перехвата радиосигналов и, таким образом, узнать многое о советских возможностях. [9]
Телеметры — это физические устройства, используемые в телеметрии. Он состоит из датчика , тракта 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 зародилась в 19 веке. Одна из первых схем передачи данных была разработана в 1845 году между Зимним дворцом российского царя и штабом армии. В 1874 году французские инженеры построили на Монблане систему датчиков погоды и глубины снега , которая передавала информацию в реальном времени в Париж . В 1901 году американский изобретатель К. Михалке запатентовал сельсин — схему для передачи информации о синхронизированном вращении на расстояние. В 1906 году для Пулковской обсерватории в России был построен комплекс сейсмических станций с телеметрией. В 1912 году компания Commonwealth Edison разработала систему телеметрии для мониторинга электрических нагрузок в своей энергосистеме. Панамский канал (завершен в 1913–1914 гг.) Использовал обширные системы телеметрии для мониторинга 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 беспроводную азбуку Морзе . Немецкая ракета Фау-2 использовала систему примитивных мультиплексированных радиосигналов под названием «Мессина» для сообщения четырех параметров ракеты, но она была настолько ненадежной, что Вернер фон Браун однажды заявил, что полезнее наблюдать за ракетой в бинокль.
В США и СССР система Мессины была быстро заменена более совершенными системами; в обоих случаях на основе импульсно-позиционной модуляции (ППМ). [12] Первые советские ракетно-космические телеметрические системы, разработанные в конце 1940-х годов, использовали либо ПРМ (например, система телеметрии «Трал», разработанная ОКБ-МЭИ), либо широтно-импульсную модуляцию (например, система РТС-5, разработанная НИИ-МЭИ). 885). В Соединенных Штатах в ранних работах использовались аналогичные системы, но позже они были заменены импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) (например, в марсианском зонде « Маринер-4 »). Позже советские межпланетные зонды использовали резервные радиосистемы, передающие телеметрию с помощью PCM в дециметровом диапазоне и PPM 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 наверх 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, передается через буровую скважину на наземные датчики и программное обеспечение демодуляции. Волна давления (сана) преобразуется в полезную информацию после DSP и фильтров шума. 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 тестов или гонок, и использовать их для правильной настройки автомобиля для достижения оптимальных характеристик. Системы, используемые в таких сериях, как Формула-1, стали настолько продвинутыми, что можно рассчитать потенциальное время круга автомобиля, и именно это время является тем временем, которое, как ожидается, уложится в гонку. Примеры измерений на гоночном автомобиле включают ускорения ( силы G ) по трем осям, показания температуры, скорости вращения колес и смещения подвески. В Формуле-1 действия гонщиков также записываются, чтобы команда могла оценить действия гонщика, а (в случае аварии) FIA могла определить или исключить ошибку водителя как возможную причину.
Более поздние разработки включают двустороннюю телеметрию, которая позволяет инженерам обновлять калибровки автомобиля в режиме реального времени (даже когда он находится на трассе). В Формуле-1 двусторонняя телеметрия появилась в начале 1990-х годов и представляла собой отображение сообщений на приборной панели, которые команда могла обновлять. Его разработка продолжалась до мая 2001 года, когда его впервые разрешили на автомобилях. К 2002 году команды смогли изменить схему работы двигателя и отключить датчики двигателя прямо из ямы, пока машина находилась на трассе. [ нужна цитата ] В сезоне 2003 года FIA запретила двустороннюю телеметрию в Формуле-1; [14] Однако технология может быть использована в других видах гонок или на дорожных автомобилях.
Система односторонней телеметрии также применялась в гоночных автомобилях с радиоуправлением для получения информации от датчиков автомобиля, такой как: обороты двигателя, напряжение, температура, дроссельная заслонка.
В транспортной отрасли телеметрия предоставляет значимую информацию о транспортном средстве или действиях водителя путем сбора данных от датчиков внутри транспортного средства. Это делается по разным причинам: от мониторинга соблюдения сотрудниками требований, страхового рейтинга до профилактического обслуживания.
Телеметрия используется для связи устройств счетчика трафика с регистраторами данных для измерения транспортных потоков, длины и веса транспортных средств. [15]
Телеметрия используется железнодорожной отраслью для измерения состояния путей . Это позволяет оптимизировать и целенаправленно проводить прогнозное и профилактическое обслуживание. Обычно это делается с помощью специализированных поездов, таких как Новый измерительный поезд, используемый в Соединенном Королевстве компанией Network Rail , который может проверять наличие дефектов пути, таких как проблемы с шириной колеи и деформации рельса. [16] В Японии используются похожие, но более быстрые поезда, получившие прозвище «Доктор Желтый» . [17] Такие поезда, помимо проверки путей, могут также проверить, нет ли проблем с воздушной электросетью (контактной линией), где она установлена. Специализированные железнодорожные инспекционные компании, такие как Sperry Rail [18] , имеют свои собственные железнодорожные вагоны и грузовики, оборудованные рельсовыми колесами, которые используют различные методы, включая лазеры, ультразвук и индукцию (измерение магнитных полей, возникающих в результате подачи электричества на рельсы). чтобы найти какие-либо дефекты. [19]
Большинство мероприятий, связанных со здоровыми сельскохозяйственными культурами и хорошей урожайностью, зависят от своевременного наличия данных о погоде и почве. Таким образом, беспроводные метеостанции играют важную роль в профилактике заболеваний и точном орошении. Эти станции передают на базовую станцию необходимые для принятия решения параметры: температуру и относительную влажность воздуха , осадки и влажность листьев (для моделей прогнозирования заболеваний), солнечное излучение и скорость ветра (для расчета суммарного испарения ), датчики стресса дефицита воды (WDS) листьев. и влажность почвы (имеющая решающее значение для принятия решений по ирригации).
Поскольку местный микроклимат может значительно различаться, такие данные должны поступать изнутри урожая. Станции мониторинга обычно передают данные 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 качество воды и функции измерения расхода воды . Основные области применения включают AMR ( автоматическое считывание показаний счетчиков ), мониторинг грунтовых вод , обнаружение утечек в распределительных трубопроводах и наблюдение за оборудованием. Доступность данных практически в реальном времени позволяет быстро реагировать на события на местах. Телеметрическое управление позволяет инженерам вмешиваться в работу таких активов, как насосы, и дистанционно включать или выключать насосы в зависимости от обстоятельств. Телеметрия водораздела – отличная стратегия внедрения системы управления водными ресурсами. [20]
Телеметрия используется в сложных системах, таких как ракеты, летательные аппараты, космические корабли , нефтяные вышки и химические заводы , поскольку она позволяет осуществлять автоматический мониторинг, оповещение и ведение учета, необходимые для эффективной и безопасной работы. Космические агентства, такие как НАСА , ISRO , Европейское космическое агентство (ЕКА) и другие агентства, используют системы телеметрии и/или телеуправления для сбора данных с космических кораблей и спутников.
Телеметрия имеет жизненно важное значение при разработке ракет, спутников и самолетов, поскольку система может быть разрушена во время или после испытания. Инженерам нужны критические параметры системы для анализа (и улучшения) производительности системы. При отсутствии телеметрии эти данные часто были бы недоступны.
Телеметрия используется пилотируемыми и беспилотными космическими кораблями для передачи данных. Расстояния более 10 миллиардов километров были преодолены, например, «Вояджером-1» .
В ракетной технике телеметрическое оборудование является неотъемлемой частью средств ракетного полигона , используемых для контроля положения и состояния ракеты-носителя для определения критериев безопасного прекращения полета по дальности (цель дальности - общественная безопасность). Проблемы включают в себя экстремальные условия окружающей среды (температура, ускорение и вибрация), энергоснабжение , ориентацию антенны и (на больших расстояниях, например, в космическом полете ) время прохождения сигнала .
Сегодня почти каждый тип самолетов , ракет или космических кораблей оснащен системой беспроводной телеметрии во время испытаний. [21] Авиационная мобильная телеметрия используется для обеспечения безопасности пилотов и людей на земле во время летных испытаний. Телеметрия бортовой системы летных испытаний является основным источником измерений и информации о состоянии в реальном времени, передаваемой во время испытаний пилотируемых и беспилотных самолетов. [22]
Перехваченная телеметрия была важным источником разведывательной информации для США и Великобритании во время испытаний советских ракет; с этой целью Соединенные Штаты организовали пост прослушивания в Иране . В конце концов, русские обнаружили сеть сбора разведывательной информации США и зашифровали телеметрические сигналы испытаний ракет. Телеметрия также была источником для Советов, которые управляли кораблями прослушивания в заливе Кардиган, чтобы подслушивать британские ракетные испытания, проводимые в этом районе.
На заводах, в зданиях и домах потребление энергии такими системами, как HVAC , контролируется в нескольких местах; соответствующие параметры (например, температура) передаются посредством беспроводной телеметрии в центральный пункт. Информация собирается и обрабатывается, что позволяет максимально эффективно использовать энергию. Такие системы также облегчают профилактическое обслуживание .
Многие ресурсы необходимо распределить по обширным территориям. В этих случаях полезна телеметрия, поскольку она позволяет логистической системе направлять ресурсы туда, где они необходимы, а также обеспечивать безопасность этих активов; Основными примерами этого являются сухие продукты, жидкости и гранулированные сыпучие материалы.
Сухие товары, такие как упакованные товары, можно отслеживать и удаленно контролировать, отслеживать и инвентаризировать с помощью сенсорных систем RFID , считывателя штрих-кода , считывателя оптического распознавания символов (OCR) или других сенсорных устройств, соединенных с устройствами телеметрии для обнаружения RFID-меток , штрих-кода. этикетки или другие идентифицирующие маркеры, прикрепленные к товару, его упаковке или (для крупногабаритных товаров и оптовых партий) к транспортному контейнеру или транспортному средству. Это облегчает знание их местонахождения и позволяет фиксировать их статус и расположение, например, когда товары со штрих-кодами сканируются через кассовое считывающее устройство в системах торговых точек в розничном магазине. Стационарные или ручные RFID- сканеры штрих-кодов или оптические считыватели с удаленной связью можно использовать для ускорения отслеживания и подсчета запасов в магазинах, складах, отгрузочных терминалах, транспортных компаниях и на заводах. [23] [24] [25]
Жидкости, хранящиеся в резервуарах, являются основным объектом постоянной коммерческой телеметрии. Обычно это включает в себя мониторинг резервуарных парков на бензиноперерабатывающих и химических заводах, а также распределенных или удаленных резервуаров, которые необходимо пополнять, когда они пусты (например, резервуары для хранения на заправочных станциях, резервуары для домашнего печного топлива или резервуары для агрохимикатов на фермах) или опорожняться. когда он заполнен (как в случае добычи из нефтяных скважин, накопленных отходов и вновь добытых жидкостей). [26] Телеметрия используется для передачи переменных измерений датчиков расхода и уровня в резервуарах, определяющих движение и/или объемы жидкости с помощью пневматического , гидростатического или дифференциального давления; ультразвуковое , радиолокационное или доплеровское эхо в пределах танка ; или механические или магнитные датчики. [26] [27] [28]
Телеметрия сыпучих материалов обычно используется для отслеживания и составления отчетов о состоянии и состоянии бункеров для зерна и кормов для скота , порошкообразных или гранулированных пищевых продуктов, порошков и гранул для производства, песка и гравия и других гранулированных сыпучих материалов. Хотя технология, связанная с контролем резервуаров для жидкостей, также частично применима к сыпучим сыпучим материалам, иногда требуется сообщать об общем весе контейнера или других общих характеристиках и условиях из-за более сложных и изменчивых физических характеристик сыпучих материалов. [29] [30]
Телеметрия используется для пациентов ( биотелеметрия ), которые подвержены риску нарушения сердечной деятельности, обычно в отделении коронарной терапии . Специалисты по телеметрии иногда используются для наблюдения за многими пациентами в больнице. [31] Такие пациенты оснащены измерительными, записывающими и передающими устройствами. Журнал данных может быть полезен врачам при диагностике состояния пациента . Функция оповещения может предупредить медсестер , если пациент страдает от острого (или опасного) состояния.
В медицинских и хирургических учреждениях имеются системы для мониторинга, позволяющие исключить заболевание сердца или контролировать реакцию на антиаритмические препараты , такие как амиодарон .
Новое и новое применение телеметрии находится в области нейрофизиологии или нейротелеметрии. Нейрофизиология — это исследование центральной и периферической нервной системы посредством регистрации биоэлектрической активности, как спонтанной, так и стимулированной. При нейротелеметрии (НТ) электроэнцефалограмма (ЭЭГ) пациента контролируется удаленно зарегистрированным технологом ЭЭГ с использованием современного коммуникационного программного обеспечения. Цель нейротелеметрии — распознать ухудшение состояния пациента до того, как появятся физические признаки и симптомы.
Нейротелеметрия является синонимом непрерывного видео-ЭЭГ-мониторинга в реальном времени и применяется в отделениях мониторинга эпилепсии, нейро-отделениях интенсивной терапии, педиатрических отделениях интенсивной терапии и отделениях интенсивной терапии новорожденных. Из-за трудоемкости непрерывного ЭЭГ-мониторинга NT обычно проводится в крупных академических учебных больницах с использованием собственных программ, в которые входят технологи R.EEG, персонал ИТ-поддержки, невролог и нейрофизиолог, а также персонал службы поддержки мониторинга.
Современные скорости микропроцессоров, программные алгоритмы и сжатие видеоданных позволяют больницам централизованно записывать и контролировать непрерывную цифровую ЭЭГ нескольких пациентов в критическом состоянии одновременно.
Нейротелеметрия и непрерывный ЭЭГ-мониторинг предоставляют динамическую информацию о функции мозга, что позволяет на ранней стадии выявить изменения неврологического статуса, что особенно полезно, когда клиническое обследование ограничено.
_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 оказалась полезной для мониторинга видов, находящихся под угрозой исчезновения, на индивидуальном уровне. Исследуемые животные могут быть оснащены приборными 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, функциях и окружающей среде животных. Затем эта информация либо сохраняется (с архивными тегами), либо теги могут отправлять (или передавать) свою информацию на спутниковое или портативное приемное устройство. [33] Отлов и маркировка диких животных могут подвергнуть их определенному риску, поэтому важно свести к минимуму это воздействие. [34]
На семинаре 2005 года в Лас-Вегасе было отмечено внедрение телеметрического оборудования, которое позволит торговым автоматам передавать данные о продажах и запасах маршрутному грузовику или в штаб-квартиру. [ нужна цитация ] Эти данные могут использоваться для различных целей, например, для устранения необходимости водителям совершать первую поездку, чтобы увидеть, какие товары необходимо пополнить, прежде чем доставлять товар.
Розничные торговцы также используют RFID- метки для отслеживания запасов и предотвращения краж в магазинах. Большинство этих меток пассивно реагируют на считыватели RFID (например, на кассе), но доступны активные метки RFID, которые периодически передают информацию о местоположении на базовую станцию.
Телеметрическое оборудование полезно для отслеживания людей и имущества в правоохранительных органах. Ошейник на щиколотке, который носят осужденные, находящиеся на испытательном сроке, может предупредить власти, если человек нарушает условия своего условно- досрочного освобождения , например, выходя за разрешенные границы или посещая несанкционированное место. Телеметрия также позволила использовать автомобили-приманки , где правоохранительные органы могут оснастить машину камерами и оборудованием слежения и оставить ее там, где, по их мнению, ее украдут. В случае кражи телеметрическое оборудование сообщает о местонахождении автомобиля, что позволяет правоохранительным органам отключить двигатель и заблокировать двери, когда его останавливают прибывшие на место сотрудники полиции.
В некоторых странах телеметрия используется для измерения количества потребляемой электрической энергии. Счетчик электроэнергии связывается с концентратором , а последний 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 несущей фазовой линии, 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 при тестировании агрессивных сред, опасных для человека. Примеры включают хранилища боеприпасов, радиоактивные объекты, вулканы, глубокое море и космическое пространство.
Телеметрия используется во многих беспроводных системах с батарейным питанием, чтобы информировать персонал мониторинга, когда заряд батареи достигает низкой точки и конечному устройству требуются новые батареи.
В горнодобывающей промышленности телеметрия служит двум основным целям: измерению ключевых параметров горного оборудования и мониторингу техники безопасности. [35] Информация, полученная в результате сбора и анализа ключевых параметров, позволяет выявить первопричины неэффективных операций, небезопасных практик и неправильного использования оборудования для максимизации производительности и безопасности. [36] Дальнейшее применение этой технологии позволит обмениваться знаниями и передовым опытом внутри 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 поведение пользователя. В некоторых случаях сообщаются очень подробные данные, такие как показатели отдельных окон, количество использованных функций и время отдельных функций.
Этот вид телеметрии может быть необходим разработчикам программного обеспечения для получения данных от широкого спектра конечных точек, которые невозможно протестировать собственными силами, а также для получения данных о популярности определенных функций и о том, следует ли им отдавать приоритет или рассматриваться на предмет удаления. Из-за опасений по поводу конфиденциальности , поскольку телеметрию программного обеспечения можно легко использовать для профилирования пользователей, телеметрия в пользовательском программном обеспечении часто является выбором пользователя, обычно представленным в виде функции отказа (требующей явного действия пользователя для ее отключения) или выбора пользователя в процессе установки программного обеспечения. .
Как и в других областях телекоммуникаций, существуют международные стандарты для телеметрического оборудования и программного обеспечения. В число органов, разрабатывающих международные стандарты, входят Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS) для космических агентств, Группа междиапазонного приборостроения (IRIG) для ракетных полигонов и Координационный комитет по стандартам телеметрии (TSCC), организация Международного фонда телеметрии.
