CN1299499A - 从移动设施到远端站的诊断消息的遥测 - Google Patents

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Abstract

用于遥测从移动设施到远端站的诊断消息的遥测计包括被耦合到一个或多个条件传感器的输出端的处理器。处理器把条件传感器的输出变换成诊断消息,以及在处理器输出端处提供诊断消息。发射机被耦合到处理器输出端。发射机适合于在工业、科学、医疗(ISM)频段发射诊断消息。本发明的遥测系统的示例性实施例包括一个适合于在ISM频段发射诊断消息的遥测计、以及包括一个用于接收在ISM频段的诊断消息的接收机的远端站。

Description

从移动设施到远端站的诊断消息的遥测
                相关专利申请的相互参考
本发明要求在1998年3月3日提交的临时申请No.60/076,666和No.160/076,610的优先权。
                      发明背景
本发明总的涉及远端监视和诊断，更具体地，本发明涉及从移动设施到远端服务中心的诊断消息的遥测。本发明的一个实施例是一种采用机载传感器和遥测计把维修数据(例如，飞机引擎的性能数据)从正在飞行的飞机发送到地面服务中心的遥测系统。
由移动设施(例如，飞机、涡轮机、牵引机车和医疗系统)携带的零件、设备、系统的条件、性能、和故障的远端监视和诊断，随着工业上在改进安全性、减小维修费用、和向用户提供高效而且节省时间和成本的维修业务方面作出的努力，正在变得日益重要。为此，远端维修业务被今日的面向服务的商业看作为重要的发展领域。远端监视和诊断能力很快变成为在提供对于已经安装的基础设备的高科技的、增值的业务方面的关键环节，该基础设备基地可包括移动设施，例如，发电设备、飞机引擎、医疗成像系统、和火车头。
通过监视这种设备和系统的性能，可以得到系统出现故障的指示。通过提供包含有关故障系统的信息的诊断消息，可以得到安全性的度量，这对确保系统能够按要求运行是特别重要的。此外，这样的信息可被利用来在使得系统进入随后的运行周期之前开始一个维修周期。
用于设备(例如，用来发电的涡轮机或用于飞机引擎的涡轮机)的控制系统一般监视各种涡轮机性能参量，包括速度、温度、和涡轮机组件的应力。现有技术系统可以提供在飞行中对这些参量的监测。然而，与在飞机飞行中把这些参量传送到地面服务中心有关的许多问题仍旧还需要进行解决。
在性能参量的无线数字通信技术上遇到的重大问题涉及到遥测装置借以发射RF信号的频率，更重要地，涉及到发射该RF信号的功率。在联邦通信委员会(FCC)颁布FCC法则和规定中的部分15.247以前，飞机遥测系统主要限制于VHF频段(174-216MHz)，以及只可以以0.1毫瓦(mW)的非常低的发射功率运行。(见FCC部分15.241。)对于发射功率的这个限制大大地限制了航空遥测装置的传输范围(即，在发射机和接收机之间的最大距离)。该限制也设置了遥测装置可借以发送数据的数据速率或“带宽”的极限。
因为这些因素，限制了可供用于将信息从飞机发送到地面(以及与其反方向的发送)的频带。而且，具有将这些可供使用的规定频带用于其它类型(例如，话音)通信的增长的要求。通常为了增加诊断信息信道，常常需要修改飞机的结构以便增加附加的天线。由于这种结构修改的花费、以及利用常规的频段传送飞行性能数据时需要高昂的花费，迫切需要用于把飞机诊断信息从飞机发送到地面站的改进的系统和方法。
                       发明概要
在本发明的示例性实施例中，遥测计包括被连接到一个或多个条件传感器的输出端的处理器。处理器把条件传感器的输出变换成诊断消息，以及在处理器输出端提供诊断消息。一个发射机被连接到处理器输出端。发射机适用于在工业、科学、医疗(ISM)频段上发送诊断消息。本发明的遥测系统的示例性实施例包括一个适合于发送ISM频段上的诊断消息的遥测计，以及一个包括用于接收ISM频段上的诊断消息的接收机的远端站。
本发明的方法的示例性实施例包括以下步骤：(1)收集来自移动设施的性能信息，(2)通过ISM频段传输，发送性能信息到远端站，(3)在远端站接收移动设施的性能信息，以及(4)利用设施的性能信息。
                     附图简述
图1是按照本发明的一个实施例的遥测系统的方框图。
图2是按照本发明的一个实施例的遥测计的方框图。
图3显示处在20000英尺高度上的飞机覆盖的圆形的例子。
图4是显示按照本发明的一个实施例配置的多个远端站的图。
图5显示对于根据本发明的一个实施例的移动设施到远端站链路的示例性技术条件。
图6显示对于根据本发明的一个实施例的地面站到移动设施链路的示例性技术条件。
图7显示按照本发明的一个实施例的示例的诊断消息格式。
                  优选实施例描述
图1上显示了按照本发明的一个实施例的遥测系统。遥测系统10包括遥测计100、发射机118和远端站200。遥测计100被携带在移动设施上(移动设施例如是飞机20、牵引机车22、舰船24等等)，并且它被配置来监视安装有该遥测计的设施的条件。遥测计100通过与发射机相结合，可以把包含有关设施的条件和性能的消息(在这里称为诊断消息)发送到远端站200。术语“条件”是指设施或设施的具体部件的运行的待机状态或适配的状态。
按照本发明的一个实施例，诊断消息从被监视的设施(诸如飞机20(这里称为源))直接传送到远端站200(这里称为目的地)。按照本发明的另一个实施例，诊断消息从源设施(诸如飞机20)顺序地传送到一个后继的设施(诸如飞机21)，以及在有些情况下，从一个后继的设施传送到另一个后继的设施等等，直至诊断消息到达它的远端站目的地200为止。
图7上显示了适用于诊断消息的示例性格式。消息格式包括同步头、地址比特、优先级比特(如果需要的话)、数据域、用于表示该数据域中的数据是否加密的加密标志、以及检错域。
诊断消息通过下行链路45在源设施、后继的设施、和远端站目的地之间传送。根据本发明的下行链路45是通信信道，包括未受限的或工业/科学/医疗(ISM)频段的传输。在美国现在有三个使用扩频通信技术的ISM频段可供使用：902-928MHz；2400-2483.5MHz；和5725-5850MHz。
因此，按照本发明的一个实施例的发射机110适合于在ISM频段发射。在本发明的一个实施例中，数据链路45还包括ISM频段射频频道，诸如由联邦通信委员会(FCC)许可的那些频道。
在本发明的一个实施例中，遥测计100被安装在飞机20上。遥测计100监视飞机20的一个或多个喷气发动机条件，以及在飞机20与远端站200之间传送包含有关飞机性能的信息的消息。远端站200利用包含在消息中的信息，以便评估引擎性能，鉴别和预测故障条件，以及在一个实施例中，通过数据上行链路30传送校正的信号给飞机20，以校正或补偿故障条件。在本发明的一个实施例中，数据上行链路30包括ISM频段传输。在本发明的另一个实施例中，数据上行链路30包括在FCC许可的射频频段中的命令和数据。
正如本领域技术人员容易看到的，本发明并不限于飞机遥测计和远端站。本发明的遥测计可被安装在任何的移动设施上，以及消息被传送到远端站，诸如卫星、舰船或不在地面上的任何接收站。
图2以方框图的形式显示按照本发明的一个实施例的遥测计100。遥测计100包括作为主要部件的发射机118、接收机116、诊断消息处理器150、存储器152、显示器190、和条件传感器320，如图2所示。条件传感器320监视性能条件和参量，诸如涡轮机速度和排出的废气温度。
在本发明的一个实施例中，遥测计100是通过使用已经装设在飞机20上的航空电子设备(例如运行在RF频段的、用于FCC许可的其它航空电子应用的VHF或UHF收发信机)而实现的。例如，那些不在海洋上(在这里，不能直接观察到地面站)使用的甚高频(VHF)收发信机单元可被利用来在这些VHF收发信机不工作的时间间隔期间在许可的频段上发送和接收诊断消息。在本发明的一个实施例中，发射机118包括市上已经有售的一种ISM调制解调器。
在本发明的一个实施例中，遥测计100包括低功率2.4GHz ISM收发信机，这在图2中是以接收机116和发射机118来表示的。接收机116和发射机118包括调制解调器，它采取典型的直接序列扩频调制方案以便用诊断消息信息来调制载波。这样的方案可以以同步模式实施或以发送的参考模式来实施，以便减轻同步附加开销。
本发明的ISM频段实施例依赖于在2.4GHz-2.4835GHz实施在飞行中使用2.4GHz ISM。商业上可提供的芯片器件(诸如Harris PRISMTM芯片器件和各种各样的支持电子产品)都已在市上有售，从而可提供在本实施例中使用。例如，本发明的一个实施例采用直接序列扩频(DSSS)技术来保持一个至少等于10的扩频因子，正如由美国FCC规定所要求的那样。Harris PRISMTM芯片器件具有等于11的扩频因子，并且可被编程到等于16的扩频因子，从而使得可以有利地在实施本发明的实施例时使用。本发明的一个替换的实施例采用5.7GHz频段收发信机。
表1显示了按照本发明的一个实施例的通过仿真一个从设施到设施的链路而开发的示例性链路技术条件。按照表1所示的例子，作为在两个飞机之间的2.4GHz ISM频段上的从飞机到飞机的链路，(这里，每架飞机处在20000英尺最小巡航高度上，它们之间的直线距离约400英里)，它可以以不大于10-5的误码率支持两个飞机之间不带编码的约每秒1.2kbit的链路。在本发明的一个替换的实施例中，该链路是以一个取决于可提供的链路余量的可变数据速率而运行的。在这种情况下，链路的两端被配置成可观测接收的误码率(这是在已知的比特组上计算的或通过观察各种“检验和”的故障率得到的)，以及相应地增加或降低它们的信令速率。
                     表1
参量                 数值        附注发射功率(dBm)             36载波频率(GHz)             2.442波长(米)                  0.12285发射天线增益(dBi)         -2发射的EIRP(dBm)           34          FCC允许高达36dBm距离(英里)                400距离(公里)                643.6自由空间损耗(dB)          -156.369波尔兹曼(Boltzmann)常数   -228.6其它的链路损耗(dB)        -1接收天线单元增益(dBi)     -2接收机噪声系数(dB)        3接收机噪声系数(无量纲)    1.9995262接收机噪声温度(K)         288.6261天线噪声温度(K)           70系统噪声温度(K)           358.6261系统噪声温度(dB·K)       25.54642接收机G/T(dB/K)           -27.5464Pr/N0(dB·bps)           47.68458数据速率(kbps)            1.2数据速率(db-kbps)         0.791812设施损耗(dB)              -2可提供的Eb/N0(dB)     14.89277误码率                 10-5调制方案               DQPSK需要的Eb/N0(dB)       12编码增益(dB)           0            无编码余量(dB)               2.89277
图5显示了对于从设施到远端站的链路的示例性链路技术条件，其中远端站是地面基站。
图6显示了对于从远端站到设施的链路的示例性链路技术条件，其中远端站是地面站以及设施是飞机。
遥测计100还包括读/写存储器152。读/写存储器152在本发明的一个实施例中是动态随机存储器，它存储用于重新发射的进入的消息和保存系统性能测量的历史资料。系统性能测量包括(但不限于)从以下的组中选择的测量值，它们包括：相继接收的消息的数目和大小、相继发送的消息的数目、等待时间分布(即，在消息被相继地重新发送以前该相继接收的消息被接收的飞机存储的时间的直方图)、链路质量指示(诸如信噪比估值)、以及通信协议效率(例如每个消息的重新传输尝试的次数)。
按照本发明的一个实施例的用于遥测从飞行中的飞机到远端站的信息的系统100典型地包括多个互相进行无线通信的移动设施(该移动设施此后称为节点)。每个节点可以从以下包括飞机、地面车辆(例如铁路火车头)、舰船、地面发射或接收站、或通信卫星的组中进行选择。每个节点配备有用于传送节点之间的、和从源节点到目的地地面站的诊断消息的遥测计100。源节点始发诊断消息以及确定通过中间节点到目的地地面站的最有效的链路。然后，源节点发送诊断消息到链路的第一节点，该节点接收和重新发送诊断消息到链路的下一个节点等等，直至消息最后被预定的地面站接收为止。在这种情况下，飞机通过在互相处在视距中的、飞机之间的中继来传送数据，以使得数据以有效方式从源节点传送到地面站。按照本发明的一个实施例，远端站250利用在巡航高度上的飞机的处于视距中的相控阵天线。
为了建立有效的链路，源节点和链路的每个相继的节点必须选择它的后续的节点，以使得消息从一个节点到另一个节点地被传输，而后续的节点是处在前一个节点的视距内的。在本发明的一个实施例中，每个节点的收发信机被提供以飞行计划信息，以便于选择诊断消息所要被发往的后续节点。飞行计划信息是有关特定飞机的飞行高度、飞行路径和时间的信息。在本发明的一个实施例中，飞行计划信息是从飞机跟踪服务得到的。这样的系统的一个例子包括(但不限于)AirTrack(飞行跟踪)。AirTrack是由英国的METSYS软件和服务公司(Cropton,Pickering,North Yorkshire,Y018 8HL,England)提供的实时飞机跟踪程序。来自数据库的飞行计划数据被装载到每个飞机的遥测计100的诊断消息处理器150中。然后，源节点的处理器100根据飞行计划数据和预定的目的地远端站来选择接续的节点。
如图1所示，远端站200包括适合于接收在未受限的频段(诸如ISM频段)中的频率的接收机250。本发明的一个实施例利用接收网络500，它包括几个在空间上分开的远端站200，如图4所示。远端站互相间隔开，以便提供对整个感兴趣的地理区域120(在本情况下是美国)的覆盖，如图4所示。
在地球上，一个H英尺高的目标的视线路径的无线电波作用距离(rodio horizon)是(2H)1/2英里。这样，在靠近Evendale,Ohio的地面上的接收机能够以视线“看到”一个其地面点落在如图3所示的圆300上的、处在20000英尺高度的飞机，这个圆的半径约为200英里。对于更高的高度的飞机，其所覆盖的圆将扩大。图4显示了只用40个接收机站点的美国大陆的假想的覆盖。站点中心被标以“x”。
系统包括一个用于修正和监视规划表和执行监视从一个接收机站点到另一个接收机站点的越区切换的协议。该协议依赖于一个用于信息流或传输控制等等的地面到空中的链路。适合于传输控制的地面到空中的链路的例子包括(但不限于)自适应传输速率控制；提供/不提供纠错编码；以及传输的时间。
本领域技术人员将会看到，虽然这里按照专利法规定显示和描述了本发明，但可以在所揭示的实施例中作出修改和改变，而不背离本发明的精神和范围。所以，应当看到，所附属的权利要求打算覆盖属于本发明的真实精神的所有修改和改变。

Claims (20)

1．一种遥测计，包括：
处理器，被耦合到一个或多个条件传感器的输出端；
所述处理器被配置成可把所述一个或多个条件传感器的输出变换成诊断消息，以及在处理器输出端处提供所述诊断消息；以及
发射机，被耦合到所述处理器输出端，所述发射机被配置成在射频频段发射所述诊断消息。
2．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述射频频段是ISM频段。
3．权利要求1的遥测计，其特征在于，还包括用于存储诊断消息的存储器152。
4．权利要求1的遥测计，其特征在于，还包括：
接收机，被耦合到所述处理器，所述接收机被配置成可接收在射频频段上发送的诊断消息。
5．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述接收机还被配置成可接收从地面站在射频频段上发送的诊断消息。
6．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述条件传感器包括排出的废气温度传感器。
7．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述条件传感器是涡轮机速度传感器。
8．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述处理器包括：
诊断消息处理器，它包括：
消息组合器，适合于接收来自所述传感器输出端的所述数字数据、把所述数字数据变换成一个或多个诊断消息、以及提供所述诊断消息到组合器输出端；
存储器，用于从所述组合器输出端和从所述接收机接收和存储所述诊断消息，以及
路由器，用于引导所述诊断消息到指定的目的地、以及当所述指定的目的地不是主平台时用于提供所述诊断消息到所述发射机。
9．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述条件传感器是中心部分速度传感器。
10．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述遥测计是在飞机上所携带的。
11．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述遥测计是在火车头上所携带的。
12．权利要求1的遥测计，其特征在于，其中所述遥测计是在舰船上所携带的。
13．遥测系统，包括：
在移动设施上所携带的遥测计，所述遥测计包括：
输入端，被耦合到所述设施的一个或多个条件传感器的输出端；
输出端，用于提供包含与所传感的设施性能有关的信息的诊断消息；
发射机，具有被耦合到所述遥测计的所述输出端的输入端，用于在ISM频段上发送所述诊断消息；以及
远端站，包括：
接收机，用于接收所述发送的消息，
处理器，用于处理所述发送的消息；以及
输出端，用于提供与所述设施的性能有关的信息给适合于利用所述信息的装置。
14．权利要求13的遥测系统，其特征在于，包括多个所述远端站，它们被配置来覆盖感兴趣的地理区域。
15．权利要求14的遥测系统，其特征在于，其中所述感兴趣的地理区域是美国大陆。
16．按照权利要求1的遥测系统，其特征在于，其中所述发射机在3.2GHz ISM频段上发射电磁能量。
17．按照权利要求1的遥测系统，其特征在于，其中所述遥测计还包括接收机，用于接收在ISM频段上的诊断消息。
18．按照权利要求1的遥测系统，其特征在于，其中所述发射机在5GHz频段上进行发射。
19．按照权利要求1的遥测系统，其特征在于，其中适合于利用所述信息的装置是显示器。
20．按照权利要求1的遥测系统，其特征在于，其中所述天线阵列适合于接收在ISM频段中的射频频率通信。
CNB998057827A 1998-03-03 1999-03-03 从移动设施到远端站的诊断消息的遥测计及遥测系统 Expired - Fee Related CN1145129C (zh)

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