ГЛАВА VI Зв'язок з космонавтом
Система телеметрії повинна сприймати зміна будь-якого фізіологічного параметру, перетворювати його в електричний сигнал, накладати цей сигнал на несучу радіочастоту і передавати на певну відстань радіоприймачем. Основні елементи такої системи показані на наведеній нижче схемі. Що сприймають елементами системи можуть бути різного роду датчики-перетворювачі. Наприклад, динамік радіоприймача або телевізора є типовим датчиком для перетворення електричної енергії в механічну, а потім і в енергію звукової хвилі. Таким чином, сприймає елемент являє собою пристрій, який перетворює один вид енергії в інший. Більшість сприймають елементів, які використовуються в космічній телеметрії, містять механічні елементи, які змінюють електричний опір, ємність або індуктивність електричних ланцюгів, хоча існують також особливі сприймають елементи, робота яких заснована на п'єзоелектричному або термоелектричному ефекті. З їх допомогою можна виявити і перетворити в електричні сигнали вібрацію, тиск, напруга, температуру, деформацію і інші зміни фізичних параметрів.
Мал. 69. Блок-схема системи телеметрії, яке свідчить про зміни в швидкості космічного корабля. Повітря, потрапляючи через повітрозабірник [1], тисне на діафрагму [4] датчика [5], що в свою чергу змінює положення движка потенціометра [2] і, таким чином, частоту генератора частоти, що піднесе [3], сигнали якого модулюють несучу частоту ЧС-передавача [6]. Сигнали останнього передають інформацію в ефір. Розташоване на Землі радіоприймальний пристрій приймає ці сигнали
На рис. 70 приведена фотографія типового сприймає елемента, використовуваного для вимірювання тиску зі зміни індуктивності. При збільшенні тиску в трубці вона повертається за годинниковою стрілкою, в результаті чого змінюється індуктивність знаходиться нижче котушки. Ця зміна індуктивності призводить до зміни частоти генератора частоти, що піднесе (ДПЧ), що в свою чергу викликає модуляцію несучої частоти радіопередавача. Вихідні сигнали більшості сприймають елементів, особливо тих, які використовують в біометрії, зазвичай бувають недостатньо великими, щоб вони могли безпосередньо керувати ДПЧ. У таких випадках необхідні проміжні погоджують пристрої. Зазвичай це підсилювачі постійного або змінного струму, фазочутливі модулятори та інші перетворювачі. Вони модулюють сигнали ДПЧ по амплітуді (амплітудна модуляція - AM), по фазі (фазова модуляція - ФМ) або, що частіше за все, по частоті (частотна модуляція - ЧС). Фото використовуваного в сучасній біотелеметрії узгоджувального пристрою наведено на рис. 72.
Мал. 70. Датчик, який використовується для вимірювання тиску зі зміни індуктивності
Вихідні сигнали ДПЧ в свою чергу модулюють сигнали високочастотного передавача. У біотелеметрії зазвичай прийнята частотна модуляція. У цих генераторах найчастіше використовуються контури з індуктивностями і ємностями, фазосдвигающие схеми з опорами і ємностями або схеми мультивибраторов. Часто сприймає елемент можна включити безпосередньо в схему ДПЧ і таким чином виключити пристрій, що погодить. Успіхи микроминиатюризации і розробка інтегральних схем для космічних досліджень дозволяють робити ДПЧ для біотелеметрії розміром не більше шматочка цукру. Частота навіть самого високочастотного каналу ДПЧ недостатньо висока для ефективної безпосередній радіопередачі сигналів, тому для її підвищення доводиться використовувати високочастотний радіопередавач. Вихідні сигнали декількох ДПЧ можна об'єднувати в один сигнал, щоб не включати в телеметричну систему за окремим передавача для кожного сприймає елемента. Високочастотний радіопередавач зазвичай побудований за схемою ЧС-передавача, стабілізованого кварцом, або ФМ-передавача з керуванням фазою за допомогою кристала. Перед випромінюванням телеметричного сигналу антеною або антенною решіткою його зазвичай підсилюють за допомогою потужного підсилювача. На космічному кораблі є значна кількість сприймають елементів, включаючи і його рухову установку, тому було б нераціонально передавати сигнали кожного з них по окремому каналу частоти, що піднесе. Число каналів обмежують шляхом поділу вихідних сигналів ДПЧ по частоті або за часом або використовують обидва способи одночасно. Якщо потрібно передавати відносно невелика кількість даних, то досить поділу сигналів по частоті.
Мал. 71. Блок-схеми, що ілюструють перевагу телеметричної системи з поділом каналів за часом перед частотним поділом каналів. В системі з поділом по частоті [верхня схема] сигнали одного датчика [внизу] модулюють один генератор частоти, що піднесе [вгорі]. В системі з поділом за часом [нижня схема] з кожним генератором частоти, що піднесе пов'язано кілька датчиків [внизу], що підключаються до нього по черзі за допомогою комутатора.
Якщо ж має бути передавати сигнали великого числа сприймають елементів, то більш ефективно поділ у часі. При частотному поділі сигналів кожен сприймає елемент модулює один ДПЧ, а вихідні сигнали всіх ДПЧ змішуються і утворюють один складний повний сигнал, що випромінюється радіопередавачем.
Мал. 72. Згода пристрій, зазвичай використовується в системі телеметрії для посилення сигналів, які надходять від біодатчіков [електрокардіографії]
При поділі за часом з кожним ДПЧ пов'язано кілька сприймають елементів і їх вихідні сигнали подаються до цього ДПЧ по черзі, а не одночасно. Така вироблення проводиться комутатором, або роторним перемикачем, встановленим між сприймають елементами і ДПЧ. Цей перемикач може бути або механічним і працювати від електродвигуна, або електронним на транзисторах і діодах і працювати від зовнішніх синхронізуючих імпульсів. В космічній телеметрії зазвичай використовуються перемикачі останнього типу, швидкодія яких набагато більше. З блок-схеми, вміщеній на рис. 69, ясно видно, як багато інформації можна передати за допомогою системи телеметрії, використовуючи поділ сигналів за часом.
Мал. 73. Успіхи фізики твердого тіла дозволяють використовувати в системах біотелеметрії мініатюрні електронні схеми. Фотографія дозволяє порівняти розміри узгоджувального пристрою для телеметричного каналу вимірювання кров'яного тиску космонавтів кораблів «Джемінай» [на фото знизу] з согласующим пристроєм того ж призначення більш ранньої розробки для космонавтів кораблів «Меркурій»
На приймальні радіостанції є спеціальні антени з дуже високим коефіцієнтом спрямованості (з високим посиленням), необхідним, щоб компенсувати затухання сигналів, які прийшли від надзвичайно віддалених від них телеметричних радіопередавачів.
Мал. 74. Гігантська антена, встановлена в Джодрелл Бенк [Англія]. Діаметр її приймального пристрою, здатного приймати дуже слабкі телеметричні сигнали від космічного корабля, віддаленого на велику відстань, становить 76 м
Одна з найбільших антен для стеження за космічними літальними апаратами показана вище. Антени, подібні до цієї, обертаються і можуть сканувати по куту місця (змінювати кут нахилу), щоб стежити за об'єктом, що рухається. Слабкі сигнали, отримані антеною, посилюються «малошумящими» предусилителями, змонтованими на антені, і далі по коаксіальному кабелю передаються до приймача, де вони додатково посилюються і детектируются або демодулюються. Ці сигнали надходять далі до спектроаналізаторів для їх візуального спостереження і в той же час записуються на плівку. Записані сигнали обробляють, пропускаючи їх через ряд смугових фільтрів, які поділяють повний телеметричний сигнал на його складові або на частоти, відповідні ДПЧ, наявними в передавачі. Таким чином, отримують інформацію про недоступних для безпосереднього спостереження параметрах.