Modeling a Telemetric Data Transmission System Considering the Complex Motion Pattern of the Controlled Object

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. When receiving telemetry data from a mobile high-speed object (MHSO), numerous challenges arise due to the dynamic trajectory of the MHSO, a wide range of flight altitudes, spatial movement of transmitting antenna radiation patterns, and the multi-beam nature of radio wave propagation. These factors result in periodic deep and prolonged signal fading received by recording equipment. In such conditions, diversity reception using multiple reception points (RP) becomes necessary. Analytically assessing the state of such a communication channel is nearly impossible, given the dynamic nature of the MHSO and the various positioning options for MHSO and RP antennas. The goal of this study is to develop and implement a software-based model for transmitting telemetric data from the MHSO board, enabling the calculation of data reception quality characteristics such as bit error probability, throughput, and channel reliability.

The telemetry data transmission and reception system model comprises a signal propagation environment model and signal processing algorithms in the transmitter and receivers. The propagation environment model is primarily based on well-established analytical expressions describing radio wave propagation considering the influence of underlying surfaces, supplemented partly by simulation techniques to calculate the power of the signal component scattered over a large area of the underlying surface. Simulation modeling is also employed to implement signal processing algorithms.

Results. A simulation model of a telemetric communication system has been developed, capturing the main physical processes in the "transmitter – propagation medium – receivers – joint digital signal processing" system. Test simulation results obtained in a specific model scenario align well with the physical processes of radio wave propagation, transmission, and reception by antenna systems, as well as diversity reception theory.

Conclusion. The practical utility of the developed model lies in its ability to predict signal reception quality under given external conditions and to preliminarily determine the required configuration of transmitting antennas, installation locations of receiving points, and other telemetry system parameters ensuring the desired level of reception quality and reliability. The scientific significance of the study includes obtaining a new tool for analyzing complex dynamic radio channels in telemetry systems and demonstrating the possibility of continuous high-quality reception of telemetric data from the MHSO board during flight along a descending trajectory with constant spatial position changes of the two transmitting antennas.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Valery S. Vasilyev

The Russian Federal Nuclear Center – All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics

Email: ivlev@rf.unn.ru
SPIN-code: 4639-4633

Candidate of Engineering Sciences, First Deputy Director of The Russian Federal Nuclear Center – All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics and Director of the Federal State Unitary Enterprise Y. E

Russian Federation, Box No. 486, Nizhny Novgorod, 603952

Dmitry N. Ivlev

National Research State University of Nizhny Novgorod named after N.I. Lobachevsky

Author for correspondence.
Email: ivlev@rf.unn.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor at the Department of Radio Engineering

Russian Federation, 23, Gagarin Ave., Nizhny Novgorod, 603022

Igor Ya. Orlov

National Research State University of Nizhny Novgorod named after N.I. Lobachevsky

Email: ivlev@rf.unn.ru

Doctor of Engineering Sciences, Consulting Professor at the Department of Radio Engineering

Russian Federation, 23, Gagarin Ave., Nizhny Novgorod, 603022

Vitaly Yu. Semenov

National Research State University of Nizhny Novgorod named after N.I. Lobachevsky

Email: ivlev@rf.unn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0933-8238
SPIN-code: 8258-7310

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor at the Department of Radio Engineering

Russian Federation, 23, Gagarin Ave., Nizhny Novgorod, 603022

References

  1. Kirillov SN, Pisaka PS. Algorithm of Telemetry Information Weighting Signal Processing from Territorially-Distributed Receiving Stations. 2018 XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). Novosibirsk, Russia; 2018:197–201.
  2. Wang W, Zhang Y, Wang X et al. Design of Reconfigurable Real-Time Telemetry Monitoring and Quantitative Management System for Remote Sensing Satellite in Orbit. 2018 IEEE 3rd Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC). Chongqing, China; 2018:1293–1297.
  3. Chen S, Meng Y, Tu J et al. Design and Implementation of Telemetry Simulation Equipment for Target Missile. 2023 IEEE 16th International Conference on Electronic Measurement & Instruments (ICEMI). Harbin, China; 2023:476–479.
  4. Yang S, Zhenhua W, Zhe Y. Trends and Countermeasures of Next Generation Telemetry Technology Innovation. 2020 IEEE 3rd International Conference of Safe Production and Informatization (IICSPI). Chongqing City, China; 2020:7–12.
  5. Nazarov VA, Kozyrev VI, Shitov IV et al. Modern telemetry in theory and practice. Training course. Saint Petersburg: Nauka i tehnika; 2007. 672 p. (In Russ.)
  6. Fink LM. Theory of transmission of dangerous messages. Moscow: Sovetskoe radio; 1970. 727 p. (In Russ.)
  7. Volkov LN, Nemirovskij MS, Shinakov JuS. Digital radio communication systems: basic methods and characteristics. Moscow: Jeko-Trendz; 2005. 390 p. (In Russ.)
  8. Malyshev II, Shestopalov VI, Mordovin AI. Diversity Reception in Communication Channels with Rician Signal Fadings. Teorija i tehnika radiosvjazi. 2021;(1):19–23. (In Russ.)
  9. Savishhenko NV, Ostroumov OA, Lebeda EV. The Application of Diversity Reception in Channel with Fading to Increase Noise Immunity. Radar, Navigation, Communications: Proceedings of the XXIV International Scientific and Technical Conference. Voronezh: LLC «Vjelborn»; 2018;1:279–283. (In Russ.)
  10. Vasilyev VS, Ivlev DN, Odnosevcev VA. et al. Three-Component Channel Model of a Mobile Communication System. Proceedings of the XXI Russian Scientific Conference “Propagation of Radio Waves”,25-27 May 2005. Yoshkar-Ola: Mari state technical university; 2005:2:296–300. (In Russ.)
  11. Vasilyev VS, Ivlev DN, Odnosevcev VA et al. Modeling a Communication Channel with Mobile High-Speed Objects at High Altitudes. Vestnik of Lobachevsky University of Nizhni Novgorod. 2005;1(3):85–93. (In Russ.)
  12. Vasilyev VS, Ivlev DN. Modelling of Antennas Spatial Patterns. Antennas. 2006;(5):39–44. (In Russ.)
  13. Fitasov ES, Odnosevcev VA, Dushko IV et al. On Modeling of Radar Signal Distribution Channel. Radio Engineering and Telecommunications. 2016;(3):48–56. (In Russ.)
  14. Land parameters 1990 (PZ-90.11): Specialized reference book. Moscow: «27 CNII» Minoborony Rossii; 2020. 64 p. (In Russ.)
  15. Barton D, Vard G. Handbook of radar measurements. Moscow: Sovetskoe radio; 1976. 392 p. (In Russ.).
  16. Skilnik M. Radar Handbook. T.I. Radar Basics. Moscow: Sovetskoe radio; 1976. 456 p. (In Russ.).
  17. Markov GT, Sazonov DM. Antennas. Moscow: Jenergija; 1975. 528 p. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Coordinate systems for modeling radio signal propagation from a mobile high-speed object (MHSO)  to a reception point (RP)

Download (84KB)
3. Fig. 2. Sequence of digital signal processing (DSP) algorithms in the telemetry communication system simulator for each point of the MHSO trajectory

Download (314KB)
4. Fig. 3. Main window of the telemetry communication system simulation program

Download (234KB)
5. Fig. 4. Window for configuring radio channel parameters in the telemetry communication system simulation program

Download (251KB)
6. Fig. 5. Window for configuring DSP algorithm parameters in the telemetry communication system simulation program

Download (221KB)
7. Fig. 6. Trajectory of MHSO Movement  in Space and Location of Reception Points

Download (37KB)
8. Fig. 7. Radiation Pattern of MHSO Antennas in Space

Download (87KB)
9. Fig. 8. Radiation Pattern of RP Antennas in Space

Download (55KB)
10. Fig. 9. Signal-to-Noise Ratio (SNR) after Signal Aggregation (1 Ground-Based RP)

Download (47KB)
11. Fig. 10. Channel Reliability (1 Ground-Based RP)

Download (41KB)
12. Fig. 11. Probability of Bit Errors in the Channel  (1 Ground-Based RP)

Download (84KB)
13. Fig. 12. Probability of Packet Errors in the Channel  (1 Ground-Based RP)

Download (49KB)
14. Fig. 13. Signal-to-Noise Ratio (SNR) after Signal  Aggregation (2 Ground-Based RPs)

Download (38KB)
15. Fig. 14. Maximum Received Signal Power in Diversity Branches (2 Ground-Based RPs))

Download (41KB)
16. Fig. 15. Probability of Bit Errors in the Channel  (2 Ground-Based RPs)

Download (65KB)
17. Fig. 16. Probability of Packet Errors in the Channel  (2 Ground-Based RPs)

Download (33KB)
18. Fig. 17. Channel Reliability  (2 Ground-Based RPs)

Download (26KB)
19. Fig. 18. Channel Capacity (2 Ground-Based RPs)

Download (42KB)
20. Fig. 19. Signal-to-Noise Ratio (SNR) after Signal  Aggregation (2 Helicopter RPs))       

Download (47KB)
21. Fig. 20. Channel Reliability  (2 Helicopter RPs) 

Download (27KB)
22. Fig. 21. Probability of Bit Errors in the Channel (2 Helicopter RPs)

Download (74KB)
23. Fig. 22. Probability of Packet Errors in the Channel (2 Helicopter RPs)

Download (30KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».