Füze üstü telemetre verileri iletim menzilinin sıkıştırma yöntemleri ile arttırılması

Abstract

Telemetre, kelime anlamı olarak 'uzaktan ölçüm alma' anlamına gelmektedir. Telemetre kavramı, bir sistemin uzaktan kontrol edilmesi ya da izlenmesi amacıyla; sisteme ait çeşitli verilerin anlık olarak elde edilmesini ve bir merkeze iletilerek kaydedilmesini sağlayan uygulamaları kapsar. Telemetre günümüzde; elektrik, su, gaz üretim tesislerinde; haberleşme sistemlerinde; biyomedikal sistemlerde ve bilimsel çalışmalar için dünya üzerinde ve uzayda kurulan sistemlerden ölçüm alınmasında vb. birçok alanda kullanılmakta ve füzeler, uçaklar, tüm hareketli sistemler için; yapılan testlerdeki veri toplama işlemini tanımlamaktadır. Telemetre verileri; füzenin uçuşlu testleri esnasında RF bağlantı ile yer istasyonuna aktarılan sensör verilerini, Küresel Konumlama Sistemi (Global Positioning System, GPS) verilerini ve çeşitli güdüm verilerini içeren veri katarlarıdır. Telemetre testleri, bir aracın/sistemin kalifikasyonu öncesinde/sonrasında gerçekleştirilen ve tasarım çalışmalarını doğru yönlendirmek amacıyla aracın/sistemin performansıyla ilgili verilerin toplandığı testlerdir. Türkiye'de devlet ve ordunun gereksinimlerine göre farklı türlerde füzeler için tasarım çalışmaları başarıyla sürdürülmekte olup belirli atış alanlarında bu füzelerin telemetre testleri gerçekleştirilmektedir. Bu testlerde elde edilen veriler, tasarım çalışmalarının denetlenmesi ve iyileştirilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Telemetre verilerinin tasarım sürecindeki etkisi göz önüne alındığında, testlerin mümkün olduğunca fazla veri toplanarak gerçekleştirilmesi önemlidir. Bu bağlamda telemetre sisteminin, daha çok verinin daha az maliyetle aktarımını sağlayacak biçimde geliştirilmesi bir gereksinimdir. Telemetre verilerinin sıkıştırılarak aktarılması bu gereksinimin karşılanmasında etkili olacaktır. Literatürde yalnızca aktarılan verilerin saklanması sırasında sıkıştırma algoritmalarına başvurulduğu anlaşılmaktadır. Bu durum; yüksek menzile sahip füzelerde, bant genişliği yüksek olan verilerin alınmasına engel teşkil etmekte ve iyileştirilmesi gereken bir haberleşme yöntemi olarak ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada, veri boyutundaki azalmanın menzil üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi amacıyla; telemetre verileri sıkıştırılarak veri boyutu azaltılmakta ve aktarılması gereken veri miktarındaki azalmanın RF haberleşme menziline etkileri link bütçesi hesabı yapılarak incelenmektedir. Gerçekleştirilen çalışmada, mevcut telemetre formatlarındaki veriler sentetik olarak üretilmiş ve askeri hassasiyette bilgi taşıyan bu verilere çeşitli kayıpsız veri sıkıştırma algoritmaları uygulanarak performansları değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında yapılan hesaplamalarda, RF haberleşmede etkili olabilecek diğer özellikler (örn. modülasyon tipi, almaç özellikleri, anten çeşitleri, vb) sabit tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar, aynı sistemlerin kullanılacağı varsayılan testlerde; verinin sıkıştırılması sayesinde veri boyutundaki ve dolayısıyla ihtiyaç duyulan bant genişliğindeki azalmanın haberleşme menzilini arttırdığını göstermektedir.

Dictionary definition of the word 'telemetry' is 'measurement from a distance'. Telemetry notion thus has been used to define the applications aiming to control or observe a system remotely, to record instantaneous data obtained from these systems (via various measurement devices) and to collect all relevant performance data in a data center. Currently, electrical facilities, natural gas production facilities, communication systems, biomedical systems, space stations and vehicles are some of the major areas that use telemetry for their measurements. Also; the design stage of aircrafts, rockets and missiles require telemetry applications as they require validation of design by comparing performance data from actual vehicles. Telemetry data of a missile in design stage, typically include measurements of various on-board sensors, GPS (Global Positioning System) data, guidance commands created by the missile computer, position of flaps and so on. These data are collected by an internal processor and later transmitted via wireless communication to a ground station, where they can be investigated by the design engineers to see if they align with pre-flight predictions.In Turkey, there are on-going design and production work for different types of missile projects; created by the needs of Turkish Armed Forces and the state. For the flight tests, different test ranges are assigned according to the requirements of different projects and many telemetry tests are performed with success each year. The collected telemetry data are then used to see if the design engineering was performed in the right way to obtain a missile meeting the requirements of that certain project. This critical role of telemetry tests lead to the importance of collecting as much data as possible with minimum error. Compression of telemetry data pre-transmission shows itself as an answer to the question of increasing the amount of data obtained per-flight. Literature search for usage of data compression methods for missile/rockets, show results in mostly applications of compression in the data recording/storing stage. However, data bandwidth in missile telemetry tests limit the communication range of the test and amount of information obtained in the test and data compression performed on-board might be a solution for this problem.This study aims to investigate the effects of data compression, thus decreased data bandwidth on the RF communication range in missile telemetry tests. For this purpose, different data compression methods are performed on fabricated (assumed) telemetry data, the decrease in data amount are compared and effects on RF parameters are investigated using link budget calculations. Other communication parameters such as signal modulation type, receiver specifications, antenna types, etc. are accepted as constants to see the effect of data size only. The results are compatible with the hypothesis; as they show increase in communication range after a decrease in data bandwidth, as expected.