Optimization of Reception Points Locations in the Radio Telemetry System for Monitoring Air Objects

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Receiving telemetry information from a high-speed mobile object that rotates around its axis presents significant challenges. The wide range of changes in flight altitude and range, coupled with continuous shifts in signal direction and reflections from the underlying surface, necessitate the use of multiple reception points (RP) spaced over long distances and methods for joint signal processing. Consequently, the problem of optimal placement of radio telemetry system (RTS) reception points within an area arises. The aim of this work is to create and implement a method and software for multifactorial optimization of the placement of reception points for a radio telemetry system transmitting information from a mobile object. Research methods. The problem of optimal RP placement is addressed by numerically searching for the extremum of the target function, which is the average signal-to-noise ratio (SNR) in the radio channel across all points of a given trajectory of the mobile object. The SNR is calculated using a model of the signal propagation medium and an algorithm for joint processing of signals from all RPs. The propagation medium model primarily relies on well-known analytical expressions describing radio wave propagation, accounting for the influence of the underlying surface, and partially employs simulation techniques to calculate the power of signal components scattered over a large area of the surface. Results. We developed a software for the automated search of the optimal RP placement within an area given the trajectory of the mobile object and specified RTS parameters. Practical use of the developed optimization software has demonstrated its effectiveness. Conclusion. The practical benefit of the developed software lies in its ability to determine the coordinates of reception points that ensure the highest possible quality and reliability of telemetry information reception, given the specified RTS parameters. The scientific significance of the work includes: 1) the creation of a new tool for the automated search of optimal RP locations to maximize communication quality with the mobile object through a complex dynamic radio channel in a telemetry system; and 2) the optimization results and subsequent RTS modeling demonstrate the possibility of continuous high-quality reception of telemetry information from the mobile object during its descent trajectory, with continuous changes in the spatial position of radiation patterns from two transmitting antennas when using simple dipole receiving antennas.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Vladimir N. Bugrov

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: ivlev@rf.unn.ru
ORCID iD: 0000-0003-3220-9354

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Radio Engineering

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

Valery S. Vasiliev

Federal State Unitary Enterprise Russian Federal Nuclear Center All-Russian Research Institute of Experimental Physics

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

Candidate of Engineering Sciences, First Deputy Director, Director

Russian Federation, 37, Mira Ave, Sarov, 607188

Dmitry N. Ivlev

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Author for correspondence.
Email: ivlev@rf.unn.ru
ORCID iD: 0009-0001-7939-4385
SPIN-code: 5853-3158

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 S. N., Pisaka P. S. Algorithm of Telemetry Information Weighting Signal Processing from Territorially-Distributed Receiving Stations. XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Prob-lems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, Russia; 2018:197-201. doi: 10.1109/APEIE.2018.8545572
  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. doi: 10.1109/IAEAC.2018.8577765
  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. doi: 10.1088/1742-6596/1507/10/102039
  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. Moroz A.P. Rocket telemetry: monograph. Moscow, Nauchnyy consultant; 2021. 478 p. (In Russ.).
  6. Fink L.M. Theory of Discrete Messages Transmission. Moscow, Soviet radio; 1970. 728 p. (In Russ.).
  7. Volkov L.N., Nemirovskiy M.S., Shinakov Yu.S. Digital Radio Communication Systems: Basic Methods and Characteristics. Moscow, Eko-Trendz; 2005. 392 p. (In Russ.).
  8. Malyshev I.I., Shestopalov V.I., Mordovin A.I. Diversity Reception in Communication Channels with Rician signal fadings. Theory and Technique of Radio Communication. 2021;(1):19–23. (In Russ.).
  9. Vasilyev V.S, Ivlev D.N, Orlov I.Ya, Semenov V.Yu. Modeling a Telemetric Data Transmission System Considering the Complex Motion Pattern of the Controlled Object. Vestnik of Volga State University of Tech-nology. Ser.: Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2024;(1):6–22. (In Russ.). https://doi.org/10.25686/2306-2819.2024.1.6
  10. Minoux M. Mathematical Programming. Theory and Algorithms. Мoscow, Nauka; 1990. 488 p. (In Russ.).
  11. Voinov B.S., Bugrov V.N., Voinov B.B. Information Technology and Systems: Search for Optimal, Original and Rational Solutions. Moscow, Nauka; 2007. 730 p. (In Russ.).
  12. Batishchev D.I. Optimal Design Methods. Мoscow, Radio i svyaz; 1984. 248 p. (In Russ.).
  13. Klyaus K.M. Numerical methods of nonlinear optimization in mathematical modeling problems. General characteristics. Saint-Petersburg, St. Petersburg State University of Economics; 2021. 112 p. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Interface of the program for optimizing the placement of RP in the RTS

Download (486KB)
3. Fig. 2. Interaction scheme of software modules for the RP optimization program

Download (350KB)
4. Fig. 3. Trajectory of mobile high-speed objects (MHSO) and location of reception points before optimization

Download (216KB)
5. Fig. 4. Directional pattern of MHSO antennas in space

Download (403KB)
6. Fig. 5. SNR after joint signal processing (non-optimal RP placement)

Download (222KB)
7. Fig. 6. Channel reliability (non-optimal RP placement)

Download (203KB)
8. Fig. 7. Probability of bit errors in the channel (non-optimal RP placement)

Download (206KB)
9. Fig. 8. Probability of packet errors in the channel (non-optimal RP placement)

Download (328KB)
10. Fig. 9. Trajectory of MHSO and location of reception points after optimization

Download (227KB)
11. Fig. 10. SNR after joint signal processing (optimal RP placement)

Download (208KB)
12. Fig. 11. Channel reliability (optimal RP placement)

Download (192KB)
13. Fig. 12. Probability of bit errors in the channel (optimal RP placement)

Download (323KB)
14. Fig. 13. Probability of packet errors in the channel (optimal RP placement)

Download (193KB)

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».