Küresel Konumlama Sistemlerinin Kullanılamadığı Durumlarda Ataletsel Navigasyon Sistemlerinin Başarımının Korunması / Preserving Accuracy of Inertial Navigation Systems in GNSS-Denied Environments

Güner L., Özgören M. K., Platin B. E., Küresel Konumlama Sistemlerinin Kullanılamadığı Durumlarda Ataletsel Navigasyon Sistemlerinin Başarımının Korunması, Cilt 3, Sayı 5, Syf 55-61, Haziran 2013 SAVTEK Makalesi

Küresel Konumlama Sistemlerinin Kullanılamadığı Durumlarda Ataletsel Navigasyon Sistemlerinin Başarımının Korunması

KüPreresseel rKvionngNuaAmvclicagumarsaaycoSynisoStfeiIsmnteleemrErtiilnnaevlriniiNrnKoiannuvmBilglaeaanntşiaıtolsranımmSaıyndsııntğeıKmDos uriurnunmmGlNaasSrıdSa-DAetanileedtsel Preserving Accuracy of Inertial Navigation Systems in GNSS-Denied Dr. D.R. Levent Güner1, Prof. DEr.nMv.irKoenmmaleÖnztgsören2, Prof. Dr. Bülent E. Platin2

Dr. D.R. Leve1nSteGyürünseerf1e,rPvreofG. Düdr.üMm.SKisetmemaleÖrizgTöarseanr2ı,mPMrofü.dDür.lüBğüülent E. Platin2 ASELSAN A.Ş,

1 Seyrüsefer ve Güdlgü[email protected] .Ttrasarım Müdürlüğü 2 MakilnglgAuaunSnMeeErr@ü@LhaSseeeAnllssNadanin.sc.Alcoiomğ.mŞi.t,.Brtrölümü Orta Doğu Teknik Üniversitesi o2 [email protected]üdhu.etrn, dpliastliniğ@imBeötul.üedmu.ütr Orta Doğu Teknik Üniversitesi ozogzogroerne@[email protected], pllaattiinn@@mmeteut.ue.deud.utr.tr

Özet

Beluektrobnilidkirikdae,rıştıkrmüraesenl edeknÖÖoinyluzzemeettlkaumllaanılsaimsteamdılğeırindinurum(KlaKrdSa)

öBzuellikblieldierliedket,ro koüprteiks/etlermkaolnu(mElOa/mIaIR) siasrteamyılceırinbianşlık(KvKeySa) ösasksdenekoöankBniiillzzpıııammaaasssueezzzeetttthvvvkkıııaeeaeilllllalliiikttmmmöööcciigggrrkktttııooaaabllleeeyylleeeynnösssieessllrrrlaaayyyiiinideeekkooocieereyynnnsssdllihhhdeeeeaaakkdaeeennkkehhhaaesssdddniittiii,iiirrrrpppeeessskııoobbşşffftttıeeettdiizaaaıırrmmmkörrıookkklmmtttüşppöıııeeelllyyellleeertttsssaaöölllneiierrrıııpppkknnsmiiisiiinnn//etttttmmminneeittliiişeemmeennnüüügrrddhhhsssmmöiiieesiiiköösssr(((immmnnaatttnüoAAAnneeeiillynmmmnyyeemmmNNNallurrtaaaee((üiiiiilSSSmllEEtttlmm///)))elOOykkfffayee(((üüüauu//mFFFkkigggzzzycIIllöööttLLLeeellaıIIieeaarrrcRRIIIddeeennısssRRRalii))iiivvvııarrssslll)))eee..saatttrgeeeiaaaımmsPPmmmldddrrtagggeaallaallleeeaakyiiimeeeddyybbbvvvttıirrrııııffcliiiaaaliiiğğccooiennnıtmmmıııırrsrldddemmıigggneeenbbööödduukkkitieeeaanrrruulanniiidddüüümşşrrrlleeennnuuaaaııaeeekkbbbtttmmtttkfllüüüaaa(iiiıeetlllKnllllllekkmmmaaeeevveeedKttyyyeettrrrreeesssaddiiiyyvSooeeecccsssnaaaae--llliii)ii apopamtsaiikfcıyyyelaar öydleçanmi ekbıyizröılnöytöenmstielmegröinörüinnnertgüiellmleiyeştkiictrieildeairrle.gkıPlahlayatıvfcoaırsmıplutaantrfoaerflımenkudtranonaögöydöpouugyguaspdiüüüaannnpaaaayyyrsnnntyyaaaeeethhtsstieiirrrııcccrrıaakccffiiimrllleeelllaaaııdllleeeyyllllinnnaaynnnıööeeeenğmmmrrannmmmrriııınccnnkkkaaaööeeegeeooodsss(llöddıııççnnnAauuseemmuuutNyynnöööemmmsssggeelllkrSoooçççuuiıüüünnnddyy)nnlzgggmmmmuuuööööıKüüülşşnncccöilllnnnyyeeKuuueeeşttteecccnneeterrrSieeerriiimmmmsrllllliee.llleeeoiilleeeşşşşllleelmmmiidddgyyymrrmmeeeöaaaiieeessnnaiirpppii///nnüiikkkkııınnlllyyeeenssseeemmmooaadddıtsssggzünnaaatttlliiieeıiiillluulkkkneeerrrllemmmiiyyccnnntttyşşaaaguuaatteeeiödddiinnyycrrrıııııiddaaaiirrraaaeccll...aalllııveelllgggallgggrraaoooyoooleerrrrgAAarrrÖÖÖkkaaiiiıiiitttttpltttmmmaannnammmhhalleeekkyaaaeeaabaaarrrıiittllliiivviclllllssaaallllaaaiiaaeeıeemttrrrsrrrllllnnneeııııeppnnllNNiiibiitiiaalllçççllaeeeammaayyyttiiirffnnnşööövvooaeeaiinnnrrkkfggkkrıtttsssmmaattoooeeeıniiieemnnnssmmmnnuudyyyyyuuuıanniiioovvaaannnnmmmnaanneelllı,,, ysiasyteıcmılianriınn (AuNygSu)nKyKeSrleoşlimmai kssoıznıuncguönrdeav yAatpaalebtisleml eNbaaşvaigraımsyıonnı

aAsakiarrnsttrtatteııışhmrrtddtıariıınığğrlimıınKgga(ööesAıssl,ittNmeerrSkeii)lllemmesKrtiii:KşşrmttaSiirret..aollematlsageoklrsiıtnzmıanavligagörarıs,eyvosynianpysaaislbteilmymaiey,ıbcKaı şKatSraı'bmanınnilnıı

nnAkkAaaaannrrvvaaııiişşhhggttttııaaaarrssıırrllyymmooKKaanneessııssll,,iiimmssttkkeeemmlleeeessrriitt..ii::rrmmaaeettaalleeaaAttllssggbeeoollsrriitttnnrmmaaaaavvclliiaaggtrraaııss,,yyoossnniinnyyssaaiisslltteemmyyaaiiyy,,ııccKKıı KKttSSaa''bbaannnniillnnıı

nIpnearvfoitgrhamissaynowcneosroiksft,eImnaeir. tinael wNAAamvbbiegsstatthtrroioaadnccttSisystpermospo(sIeNdS) toof

improve onboard

mppISImbnneeyaiirrsstffessootiiltthllrrlhheeimmetiissessaapnnaaSlwwccannyeeootddsftrroooekkrmffssm,,mm)II'nnsaaaaeejrrarrttemttliinneaamwweecllteewwirnNNaaogpp-aa.oommovvnnpiiPeeggsstttiraachhett/iivooiinniooiddnonnfurGGsaSSiilNNssryyessSSdttlppeeSSarrmmioo(dssEpp((GGooO((bssllIIe/ooeeNNIabbddIcSSaaRo))lln)ttoosooNNffsaeaaiiooervvmmnnekiiggbbeppaaroourrttaaoosiieoovvrrddnneer sspttstSbSffbmfppaaaooohhhuuullyyrlllaaaairrroooeeerrrsttwwwttmmmvvvnnneespffttiaaaeeelloogggehhlllyyyrrrerriiraaaeettdddmmseeaaadnnnwww''llledddsspplllgggaSSooopiiilloooaantttoooyycclppphhhrrroaattdsskkkoooffiiittyppiiioottteesssnnnhhhmaarriiimmsgggtttmmttmmmbbmiiihhhe))oooii''nssseeelliiissannniinnn...tjjttraafffyyIIItorrreeuuummtttaaapppfllttpppeeiiirrrooooommwbsssdddcceeesssettedddaaaiieeeiiioorrannatttoommmtttppiiiggceeepooo--eesss..osssopppooyyynnnrrnnhhhaasssppPPaaatttssttttaaaeeerrriirreeccsssmmmeeeeeuuuiii//ivvwwzzzpppnsssiipppiieeenndddooiieeettdddff(((uuaaahhrrrrFFFGssaaffftttootttlloooLLLeeehhhNrruuyyrrreeaaaIIIttSmmmddRRRtttllS,,,GGaaaaaeee)))iillltttNNddd((ddggghhhEEttt(oooSSeeeooobbbGOOrrrbbSSyyypppiiilee//ttttttorrraaahhhIIaauuuboooaaIIkkkmmmccapppsssiiRReeeooddiiilooosssnnnnn))iisssnnbbbssgggeeeNggeeessdddiiiaaammmaeeannnwweerrrrmmmvcccoooiiieekkiiinnnrrrdddttgeeeeeeeehhgggatttiiirruuaaassshhhffftiiisssssittoooeeeeeohhooeeeaaaddddddddnrreesssttt

pKppsulrraeoorytvppfweoeeyrorrmirddnd'eegsspp:acllooalgyypiommanrbeteeiirnnhltiittmtayoolsff,tobbbeeneoaaaapccvecooirognnanasstetnioawnvitihgaosuytitsotneGmNsy,SstSeGmaP.idSingjawmitmh itnhge,

Keywords: inertial navigation system, GPS jamming,

Ksueryvweyoirndgs:algionretirhtimals, bneaavciognatnioanvigasytisotnemsy,steGmP. S jamming,

surveying algortihms, beacon navigation system.

1. Küresel Konumlama Sistemlerinin Karıştırıldığı Durumda Hedef Belirleme 1. Küresel KonSuomrulanmu a Sistemlerinin TemeKldaerdışötrtıruıylddıuğdıanDguelreunmsidnayalHlereindesifnByael lviarrlıeş mzaemanı tekniği ile işlenmesineSodrauyannuan küresel konumlama sistemlerinin kullanımı 21. yüzyılda baş döndürücü bir hızla Taretmmeışl,denedröedrteyusyedtuüdmanargaeçlelanrınsinnyaavlilgearisnyosninsyiastlevmarleışrizvaemcaenpı kmetteasteeeirrrusllkiitoteelşşmnledeeffamooiebbınğşnnriiiıl,nllllecddaanrıdiirriğğetııniünnaiilrin,,ereddnaydttaafaüüeknnınnymmiuşdsıssllneleaaaaddnnaavntüüttümaıllçnnzmeemoeyygrrksıeeaaeiaçn2arkkççizea1laaaamç.ddppylaaaeııaynndrrtzrüııddiazrnhhaaıoyymeealınrrmlhhndagaaayyavuessneeişssrgbrrteaaadduakssseerştky.ikkoürdkkooenröuunnnenllsuullsdbaaeimmsnnliürtıırellsübbmaaikciisnnlloltügg,,eeniirmsshhbuiiiieemrvorrvvekkeelhlaaeerrıcrmeesszeaiinnlnnpkaa,, kmuÖuytodlelduayenarınnncadıdvatüiangnraaybsfayaınnordıınşnadnvsöaiçsznotgeekemmçaiilzlnemrdyiaeetz(ıhirGaıomylNmagtSuıemSşr)teıuzkrınt.iekreonlyaabyzilırakşstiıskrtaienmbkiorülraekrsraeikzl sÖudiyösttdneeuemymalnneinardvdaoienlgaarbsagyaküorıvonşerndtasöiiylsniarteelçimmğıkiilmnerdvaieekt(haGeadryNıiraştSi[ıl1mSe]b),ıizl[iın2relk]i,oğily[a3ayz]ill.ıakkştıkrsaionrbgkuirülarneksraeinzl eFsditösüktnzieneemllmeilkreinr idolveelearaagkktüeıvlomleırntianmiyliaürlehçiğdıikmiilmemvbaeiakltitraledsirekıiryşri[ül1gesi]beb,ifile[i2rrl]ni,ğseii[sd3tee]inml.klelerrlseiormgkuaüllarinyeesaetn-l

Fnkoaüvnziueglmaesrlyaominlea askissıitlseltımemmi lüe(hKriinmKeSm)atd(AesseNtyerSkü)lsiefteasrkathsiikispttesimre.vlieyreiFümaztaaellleieytresdete-l behyhhkgsnhsgiitüüaoüaaaaasskpvvnnvttssynieessaaiaünüüugaammbklmmmassiiaaiillkslyybeerrüülmyaaaeerröozzmiiççtteddl,,nllvllüeeaaeeayemrrrreiiıınntKKnnsüeitiiıınskksneKKnnddituudmeseeeSStlleğm((llevviiaaIInmaankinnHHmmiaıılddrAAlle(kmmeıeeKeeraş))dssitttyaanttKttıieebkkççiirlerreığğSeootteelbaaiitd)ğğbbmiıuuliiğilldnn(ermmıooAlekllooiuudllseektNllmmetğğuaakkeduunnrSttaakueeig)kkrlddmKKii.ssbiiıırrdKKzziaat..ııaattsnnSSFFkaaan’’hlltüühnneeieazzkittiidpseessnnkkseeetllıısaeeillnssresssrraa.laaviiennovviryaallnnvveaeşşFbbeeaariiavvüaaarriikiinnzllktggaaaessüaagnnlaalssreöessıınnyyetnnüürroossssdeıırreeıınnnnvzzeeell

Sybçaaüalpyvıaşüambşkiaalbmllaaöenrlıüıynmiedçtüeaenrnhedeneeğdientkifiapinrikıkaşbtybıebrliıeirlrtdlmseıeğnenımkadtreeuysdroiuidrvm.ae dyKaoKkhSaesdsdialemsstoeeslkailnriaekaytaöglönereteslievkl

SançyynhseaeeteaaaevrrlsvvvışiiiaiişayggpmbbşeaalaeesaassalillyylntnliiaarrıooadnllnrnneereıaıannnsskieedçiiannssbekattlireeaorhhhemmbmneeeidddliihueeeetvvatcifffaeepseiiisnnnkimaFFksbkkLLeibeaooyrIIlktieooRRireetrrrşllzddseeiiieiillnnneendümaaaeazddttksreeoollyttaarsennaoiirrknraadııvı,,dttaleıımelllluaammnyKnazzoksııeeKhkşşurrteaSrbbedmmudiiderrnıdeeifrlaie.ssIImaaHHsetffneeeeoAAAsknitköölnettiıllaaşseççmrraaüüaaytmmseffdaöııütlnnenrüüerseddetetsllaaiiedeiellnnkkeeerl hautneessşauprllaaalnrtııanraaçkoağkluaonbmilluuektcaleakmeyaraktkeeışzni düehzseatrveiakndeudnnesshtueerğduienfai yeanonkdısama setütorrepelçdeuer seviyesinde bir hassasiyetle aktarılmaktadır. Ateş destek unsurları çoğunlukla yakın hava desteği ya da topçu

birlikleridir. Topçunun hedefi etkili olarak ateş altına alabilmesi için hedefin yerinin en fazla 100 metre doğrulukla bilinmesi gerekmektedir. KKS' nin karıştırıldığı bir durumda ANS ile donatılmış kundağı motorlu obüsler gibi kara araçları sıfır hız güncelleme teknikleri kullanarak doğruluklarını koruyabilme şansına sahipken, hedef belirleme amacıyla kullanılan IHA ya da yer taarruz görevindeki savaş uçaklarındaki navigasyon seviyesi ANS' ler bile yaklaşık 1 deniz mili/saat hata yapacaklardır. Bu durumda, IHA tarafından verilecek olan hedef koordinatları kilometreler düzeyinde hatalı olacağından topçu birliği ile hedefin etkin şekilde yok edilmesi mümkün olamayacaktır. Aynı şekilde hedefe taarruz etmekle görevlendirilen av/bombardıman uçakları da bir saatlik uçuş boyunca yaklaşık bir deniz mili konum hatası yapacak, uçaktaki akıllı mühimmatlar uçaktan mühimmata yönelim aktarma sırasında hatalı koordinatlarla ilklendirilecek ve yine kilometreler düzeyinde hatalı hedef koordinatlarına yönlendirileceklerdir. Bu durumda arayıcı başlıklarla donatılmış güdümlü sistemlerde dahi arayıcı başlık hedef belirleme bölgesine giremeyecek ve hedefin imhası söz konusu olamayacaktır.

2. Önerilen Yöntem

Navigasyon sistemlerinde görülen büyük ilerlemelerin teknoloji ve araç-gereç-aygıt bazında olduğu gerçeğinden hareketle günümüzde kullanılan en gelişmiş navigasyon sistemleri ile yüzyıllar öncesinde gemilerin kullandığı seyrüsefer teknikleri yöntemsel açıdan çok fazla değişiklik göstermemiştir ve aynı geometrik temellere dayanmaktadırlar. Navigasyon sistemleri kör seyir sistemleri, dışa bağımlı

sistemler ve veritabanı eşleme sistemleri olarak üçe ayrılabilir [2]. KKS'nin olmadığı/karıştırıldığı durumlarda alternatif olarak kullanılabilecek navigasyon yöntemleriyle ilgili analizlerde, KKS hatalarının zamandan bağımsız olduğu ve dünyanın her yerinde (kapalı alanlar ve denizin altı hariç) navigasyon yapmayı olanaklı kıldıkları unutulmamalıdır. Küresel konumlama sistemlerine alternatif olarak önerilebilecek tüm sistemler KKS'nin kullanılamadığı durumlarda navigasyon yapmayı ancak belirli sınırlar dahilinde mümkün kılacaktır

KKS’nin karıştırılmasına karşı akla gelebilecek çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Çalışma kapsamında bu alternatifler de değerlendirilmiş ve kullanılmalarının avantaj ve dezavantajları belirtilmiştir. Küresel konumlama sistemine yönelik en belirgin tehdit, sinyal gücünün karıştırıcı ile bastırılmasıdır. Dolayısıyla kendi GPS sistemimizi yapmak, Geosenkron uydu ağı, DGPS (differential GPS ) kullanmak vb. uydu tabanlı alternatifler, çok yüksek ve devamlı maliyet unsuru kabul edilse dahi karıştırmaya dayanıklı olmadıkları için uygulanabilir değildir. Yer konuşlu radyo navigasyon sistemleri bir alternatif olarak ortaya çıkmakla birlikte eski altyapıların idame ve hassasiyet problemleri vardır. Arazi destekli seyrüsefer (terrain aided navigation) kuvvetli bir alternatif olarak özelikle seyir füzelerinde kullanılmaktadır. Ancak görev planlaması, arazinin öznitelikleri, yüksek işlem gücü gereksinimi ve donanım ihtiyacı ile sisteme özel bir çözümdür [4], [5]. Çeşitli destek sistemlerinin özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Tablo 1 Çeşitli seyrüsefer destek sistemlerinin karşılaştırılması.

Güner L., Özgören M. K., Platin B. E., Küresel Konumlama Sistemlerinin Kullanılamadığı Durumlarda Ataletsel Navigasyon Sistemlerinin Başarımının Korunması, Cilt 3, Sayı 5, Syf 55-61, Haziran 2013

Bu çalışmada önerilen yöntemde, düşük hassasiyette (taktik

seviye) ataletsel navigasyon sistemi ve elektro-optik/kızılötesi

arayıcı başlık veya kamera ile donatılmış hava platformlarının

(füzeler, akıllı mühimmatlar ve insansız hava araçları vb.)

daha önceden döşenmiş olan ve Radyo frekansında (RF)

karıştırmadan etkilenmeyen, kızılötesi bantta ışık veren sinyal

yayıcılara kilitlenerek çeşitli konum güncelleme teknikleri ile

dışarıdan destek almaları ve ataletsel navigasyon sistemi

Kalman filtresinin bu desteği işleyerek platformun

navigasyon

yeteneğinin

korunması/iyileştirilmesi

amaçlanmaktadır.

Sinyal yayıcıların günümüzde hızla gelişmekte olan tek başına bırakılmış algılayıcı teknolojileri sayesinde görevlerini yeterli sürelerde yerine getirebileceği değerlendirilmektedir. Hava araçlarının ve füze sistemlerinin kullanım doktrinleri değerlendirildiğinde, söz konusu sistemlerin uçuşlarının bir bölümünü dost bölgede gerçekleştirdikleri, böylelikle sinyal yayıcıların dost bölgede konumlandırılmaları ve döşenmelerinde herhangi bir kısıt olmadığı, operasyon bölgesine ise çeşitli araçlar ile (havadan atma, özel kuvvetler vb.) ile döşenebileceği öngörülmüştür. Mevcut durumda, söz konusu platformların KKS karıştırıldığında dost bölgede bile görevsel yeteneklerinin büyük bölümünü kaybedecekleri değerlendirilmektedir.

Bölgesel veya ülke çapında bir karıştırma durumunda çok sayıda değişik hava platformları ve füze sistemlerine hizmet verebilecek bir sinyal yayıcı tabanlı navigasyon ağı öngörülmüştür. Böylelikle platformdan bağımsız olarak bir bölgede navigasyon desteği sağlanabilecektir.

Önerilen yöntemin öne çıkan özellikleri,

 uzun süreler ile sınır bölgesinde devriye/ gözetleme uçuşu yapan insansız hava araçlarından, taktik güdümlü bomba ve mühimmatlara, üs bölgesinde devriye gezen insansız suüstü araçlarına kadar geniş bir yelpazede kullanılabilmesi,

 mesafe ölçümü ihtiyacı olmadığı için mesafe ölçme sistemi olmayan veya taktik durum gereği kullanamayan platform ve füze sistemlerine uygun olması,

 halihazırda EO/kızılötesi arayıcı başlığı veya kamerası olan platformlarda (füzeler, IHA’lar vb) ilave donanım gerektirmemesi,

 platformlardaki işlemcilere ilave hesaplama yükü getirmeyen konum güncelleme algoritmalarının kullanımı,

 optik sinyal yayıcıların düşman tarafından tespit ve imhasının çok zor oluşu olarak özetlenebilir.

3. Konum Güncelleme Teknikleri

Dünya üzerinde bilinen noktalardan faydalanarak başka noktaların koordinatlarının bulunması amacıyla özellikle topçu yer ölçme birlikleri tarafından uygulanan yer ölçme teknikleri, bu çalışmada füze ya da insansız hava aracının konum güncelleme ölçümleri için uyarlanarak kullanılmıştır.

Belirlenen senaryoda kızılötesi görüntüleyici arayıcı / kamera ve ANS ile donatılmış olan akıllı mühimmatın;

 uçuş yolu boyunca arayıcı başlık ilgi alanına girecek olan sinyal yayıcılara kilitlenerek bu sistemlere sadece açı ölçümü yapabildiği,

 mesafe ölçümünün lazer mesafe ölçer gerektirmesi ve füze / mühimmat sistemlerinde böyle bir olanağın bulunmaması nedeniyle mesafe ölçümü yapamadığı,

 kendi seyrüsefer çözümünü sadece ataletsel sensör bilgisi ile oluşturduğu varsayılmıştır.

Platformun sinyal yayıcılara sadece açı ölçümü yaparak konum güncelleme desteği elde edebilmesi için üç teknik önerilmiştir. Bunlardan üç noktadan geriden kestirme ve iki noktadan geriden kestirme genellikle kara birliklerinin hassas yer ölçme (surveying) birlikleri tarafından kullanılan yöntemler olup hava platformuna uyarlanmışlardır. Her iki teknik de platformun kendi konumunu bilmesine ihtiyaç duymamaktadır [6].

Üç noktadan geriden kestirme konum bulma tekniği kendi konumu hakkında hiçbir bilgiye sahip olmayan bir sistemin konumu bilinen üç noktaya sadece yan ve yükseliş açısı ölçümü yaparak kendi konumunu bulması esasına dayanır (Şekil 1). Bu yöntem arayıcı başlık görüş alanı içerisinde bir gözlem anında üç sinyal yayıcının bulunması durumunda kullanılmıştır. 3 noktadan geriden kestirme tekniği literatürde topçu yer ölçme birlikleri tarafından ve genellikle durarak ölçüm alabilen robot vb. platformlar tarafından üretim hatları vb. kapalı mekânlarda kullanılmaktadır [7][8][9][10][11].

İki noktadan geriden kestirme olarak tanımlanan konum bulma yönteminde füze arayıcı başlığı tarafından iki ayrık gözlem noktasının her birinde iki sinyal yayıcının aynı anda gözlenmesi ve bu sinyal yayıcılara sadece açı ölçümü yapılması sayesinde iki gözlem noktasının da koordinatları bulunabilir. Bu yöntemde son gözlem noktasının güncellenen koordinatları füze sisteminin Kalman filtresine konum desteği olarak verilmiştir. İki noktadan geriden kestirme yönteminin uygulanabilmesi için iki gözlem noktası arasındaki mesafenin füze ataletsel navigasyon sistemi tarafından belirlenmesi gereklidir. Literatürde iki noktadan geriden kestirme yönteminin insansız platformlarda kullanımına yönelik herhangi bir çalışma bulunamamıştır.

İleriden kestirme konumu bilinen iki noktadan konumu bilinmeyen noktaya sadece yan ve yükseliş açısı ölçümü yaparak gözlenen noktanın koordinatlarının bulunması esasına dayanır. Ancak incelenen durumda füze, sinyal kaynağını gözlediği durumlarda kendi koordinatlarını hatalı

olarak bilmektedir. Öte yandan gözlenen sinyal yayıcının koordinatları bilinmektedir. Bu çalışmada, ileriden kestirme yöntemi temel alınarak yeni bir ölçüm yöntemi geliştirilmiş ve ters ileriden kestirme olarak adlandırılmıştır. Ters ileriden kestirme yönteminde, füze tarafından hesaplanan birinci ve ikinci gözlem noktalarının sağ, yukarı ve rakım değerleri ile gözlenen sinyal yayıcıya ölçülen yan ve yükseliş açıları kullanılarak gözlenen sinyal yayıcının koordinatları hesaplanmaktadır. Sinyal yayıcının hesaplanan koordinatları ile bilinen koordinatları arasındaki fark, füzenin iki gözlem noktası arasında kısa süre içinde yapacağı hatanın çok fazla değişmeyeceği (kısa dönemli kararlılık) kabulü altında, her iki gözlem noktasına koordinat düzeltmesi olarak verilmekte ve ikinci gözlem noktasının güncellenmiş hali füze ataletsel navigasyon sisteminin Kalman filtresi algoritmasına konum desteği olarak girmektedir. Bu yöntemin değişik uygulamaları mümkündür. Yöntemdeki önemli bir varsayım, füzenin kuzey açısındaki kaymanın konumundaki kaymaya göre nispeten daha az olduğudur. Konum güncelleme faaliyetinde istikamet açısı hatasından kaynaklanan düzeltme yönü hatası kabullenilmektedir. Kullanılan konum güncelleme tekniklerinin ortak özelliği mesafe ölçümüne ihtiyaç duymamaları, yani pasif yöntemler olmalarıdır. Mesafe ölçümü için sinyal yayıcılardan RF sinyal almak ya da sinyal yayıcılara olan mesafeyi ölçmek için lazer mesafe ölçer kullanmak platformun ve sinyal kaynaklarının düşman tarafından tespitini kolaylaştıracağı için sinyal yayıcıların sadece kızılötesi bantta ışıma yapması ve düşman kestirme sistemleri tarafından uzun menzillerden algılanabilen RF vb yayın yapan sistemler olmaması öngörülmüştür.

Şekil 1 Üç noktadan geriden kestirme algoritması kesişen çemberlerin çözümüne dayanır.

Şekil 2 İki noktadan geriden kestirme yöntemi.

4. Yöntemler İle İlgili Ölçütler

Hava platformunun uçuşu süresince hangi konum güncelleme yöntemlerinin kullanılacağı, oluşturulan bir karar mekanizması aracılığıyla benzetime tanıtılmıştır. Her üç konum güncelleme yönteminin de sağlamak zorunda olduğu bazı fiziksel kısıtlar bulunmaktadır. Ayrıca bu fiziki kısıtları sağlasa dahi yüksek başarımlı bir konum güncelleme elde edilebilmesi için ölçütler tanımlanması faydalıdır.

Örneğin iki noktadan geriden kestirme yönteminde temel fiziksel kısıt iki noktanın da iki gözlem anı boyunca arayıcı kilitlenme menzili içinde olması, arayıcı ilgi alanı (FOR) içinde olması ve son olarak ikisinin de arayıcı görüş alanı (FOV) içinde olmasıdır.

Bu doğal kısıtlara ek olarak, elde edilecek konum bilgisinin hassasiyetinin yüksek olması için bazı geometrik koşulların da sağlanması gereklidir. Örneğin, iki noktadan geriden kestirme için gözlem anında herhangi iki sinyal yayıcının aynı bakış hattı üzerinde olmaması, ölçülen açıların belirli limitler dâhilinde olması ölçümün hassasiyeti açısından önemlidir.

Bu ölçütlerin sağlandığını kontrol etmek amacıyla geometrik

durumu ifade eden bir gösterge kullanma yoluna gidilmiştir.

KKS sisteminde uydu geometrisinin ölçüm hassasiyetine

etkisini ilişkilendirme amacıyla kullanılan “duyarlık kaybı”

yer ölçme yöntemlerinin de başarımı hakkında fikir vermek

amacıyla kullanılmıştır. Bu amaçla, her üç yöntem için

duyarlık kaybı parametresi türetilmiştir. Duyarlık kaybı

mesafe ölçümü içeren yöntemlerde sinyal yayıcıların ve

platformun birbirlerine göre olan açısal durumunun bir

fonksiyonu iken sadece açı ölçümü yapılan yöntemlerde

mesafenin ve açısal durumun fonksiyonu olarak ortaya

çıkmıştır.

zi f (x, xi )  vi

(1)

Füzenin x konumunda, i'nci sinyal yayıcının xi konumundaki durumu için alınan zi ölçümünde f füze ve sinyal yayıcı konumlarına bağlı doğrusal olmayan bir fonksiyon ve vi ise ortalaması 0 olan gauss dağılımına sahip hata olarak

modellenebilir. Jacobian matrisinin tersinin determinantı

ölçüm hatalarının konum hatalarına etkisini gösteren bir

ölçüt olarak ileri sürülebilir.

Duyarlık Kaybı  H 1

(2)

Ölçümleri içeren denklemler değişkenleri içeren örtülü

denklemler olduğundan duyarlık kaybı denklem 4’deki gibi

ifade edilebilir.

f (x, z)  0

(3)

 fz  z   fx  x ve fz  fz , fx  fx (4)

 H  fx ve H 1 fz

(5)

fz

fx

Örnek olarak, iki noktadan geriden kestirme algoritması için

duyarlık kaybı parametresi hesaplanmak istendiğinde,

ölçümler 1,2 ,3,2 ve durum değişkenleri

x  xR yR xQ yQ  iken duyarlık kaybı denklem 6' de verilmiştir. Duyarlık kaybının küçük olması için en ideal

Güner L., Özgören M. K., Platin B. E., Küresel Konumlama Sistemlerinin Kullanılamadığı Durumlarda Ataletsel Navigasyon Sistemlerinin Başarımının Korunması, Cilt 3, Sayı 5, Syf 55-61, Haziran 2013

durum füze-sinyal yayıcı mesafelerinin küçük olması ve her bir gözlem anı için sinyal yayıcılar ile füzenin oluşturduğu üçgenin tepe açısının 90 dereceye yakın olmasıdır. Duyarlık kaybı parametresi, içinde sinyal yayıcıların aynı hat üzerinde bulunmaması, üç noktadan geriden kestirme için noktaların aynı çember üzerinde olmaması gibi ölçütleri de barındırmaktadır.

H 1

 f z fx

r1R r2R r1Q r2Q sin 12 sin 34 

(6)

Şekil 3: İki noktadan geriden kestirme duyarlık kaybı ölçüm ve durum değişkenleri.

Her üç yöntem için geometrik ölçütler Tablo 2’de özetlenmektedir.

Tablo 2: Konum güncelleme yöntemleri için ölçütler.

işlenmesi sonucu “sadece ataletsel navigasyon çözümü” uçuş yolu hesaplanmıştır.

Şekil 5’ de görülen füze uçuş yolu, düz uçuş, ivmelenme, koordine dönüş, dalış aşamalarından oluşan çeşitli uçuş bölümlerinden oluşturulmuştur. Yaklaşık uçuş süresi 225 saniye ve uçuş hızı 300 m/s civarında alınmıştır. Sadece ataletsel navigasyon çözümü uçuş süresinin sonunda toplam 7500 metreden fazla hata yapmaktadır.

İlk değerler Hız, konum, açılar

Kalman Filtresinin ilklendirilmesi H,R,Q,P Xo

Ataletsel ölçümler Gerçek / AÖB ölçümleri

NAVİGASYON ALGORİTMASI

SADECE ATALETSEL 0

ÇÖZÜM

DESTEK VAR

GERÇEK YÖRÜNGE

GEODETİK UTM ÇEVİRİCİ

KONUM GÜNCELLEME ALGORİTMALARI

ARAYICI BENZETİMCİSİ

ÖLÇÜLEN AÇILAR

İKİ NOKTADAN GERİDEN KESTİRME

YÖNTEM SEÇİM

ALGORİTMASI

TERS İLERİDEN KESTİRME

ÜÇ NOKTADAN GERİDEN KESTİRME

UTM GEODETİK ÇEVİRİCİ

KALMAN FİLTRE

Şekil 4: Oluşturulan benzetimin genel mimarisi.

5. Modelleme ve Benzetim Çalışmaları

Benzetim çalışmaları için ataletsel navigasyon sistemi modeli oluşturulmuş, doğrusal olmayan navigasyon denklemleri ile navigasyon eksen takımı mekanizasyonu oluşturulmuş, dolaylı geri beslemeli Kalman filtre tasarlanmıştır. Oluşturulan benzetimin genel mimarisi Şekil 4‘ de verilmiştir.

Çalışmada öngörülen füze sistemi kızılötesi görüntüleyici arayıcı başlığa ve taktik MEMS ataletsel ölçüm birimine sahiptir. MEMS ölçüm birimi 50 derece/saat (rms) sabit kayma hatasına sahip bir sistem olarak modellenmiş ve belirlenen tipik uçuş yolu için sistemin hata öznitelikleri doğrultusunda doğrusal ve açısal ivme değerleri yaratılmıştır. Gerçek füze uçuş yolu ve ataletsel ölçüm biriminden gelen ivmelerin navigasyon algoritmasında

Şekil 5 MEMS AÖB ile gerçek ve ataletsel navigasyon çözümü yörüngeleri.

8-12 mikron kızılötesi dalga boyunda ışıma yapan sinyal yayıcılar için kilitlenme menzilleri tipik bir füze arayıcı başlığı için NVTHERM programı kullanılarak hesaplanmıştır [12]. 0.25 ve 1 metrekare kesit alanına sahip iki sinyal yayıcı tanımlanmış ve iyi ve kötü hava şartlarında görüş mesafesine bağlı hedef belirleme mesafeleri hesaplanmıştır. 2 Kelvin ve 10 Kelvin sıcaklık farkı ile ışıma yapan sinyal yayıcılar için açık hava, hafif sis ve sisli ortamdaki hedef (sinyal yayıcı) belirleme mesafeleri Şekil 6 ve Şekil 7’de verilmiştir.

Şekil 8: Boylam için kovaryans sınırları ve hata miktarı

Şekil 6: 0.25 m2 sinyal yayıcı için kilitlenme mesafeleri.

Şekil 9: Üç adet sinyal yayıcı ile dört noktada yapılan güncelleme sonucu elde edilen sonuç.

mesafe (km)

Şekil 7: 1 m2 sinyal yayıcı için kilitlenme mesafeleri.

Ataletsel navigasyon sisteminin uçuş boyunca yaptığı konum hatasının azaltılması için sinyal yayıcılara yapılan gözlemler ile elde edilen konum güncellemeleri kullanılmıştır. Örnek bir senaryoda Konum güncelleme ile konum kovaryans değerlerindeki değişme Şekil 8’da, uçuş yolu iyileştirmesi Şekil 9’da görülmektedir.

Şekil 9’da görülen üç sinyal yayıcı ile dört noktada yapılan konum güncelleme ile elde edilen hız bileşenlerindeki iyileştirmeler Şekil 10, Şekil 11 ve Şekil 12’de görülmektedir. Yaklaşık 225 saniyelik uçuş boyunca 7000 metreden fazla hata yapan füze sisteminin yer konuşlu üç adet sinyal yayıcıdan destek alarak konum hata miktarını 700 metreden daha az konum hatası bandına çekebildiği gösterilmiştir [13]. Bu düzeltme miktarı da arayıcı başlığın hedefe kilitlenebileceği bölgeye girebilmesi için yeterlidir.

Şekil 10: Konum güncellemeleri ile doğu hızının değişimi

Güner L., Özgören M. K., Platin B. E., Küresel Konumlama Sistemlerinin Kullanılamadığı Durumlarda Ataletsel Navigasyon Sistemlerinin Başarımının Korunması, Cilt 3, Sayı 5, Syf 55-61, Haziran 2013

ŞŞekekili1l 11: K: Koonnuummgügünnceclellelmemeleelreirilielekukuzezyeyyöyönnüünnddekeki i hhızııznınddeğeiğşiişmimi.i.

ŞŞekekili1l 122: K: Koonnuummgügünnceclellelmemeleelreirilieleyeyreçreçkeikmimi iyöyönnüünnddekeki i hhızııznınddeğeiğşiişmimi.i.

66.. SSoonnuuçç

BBuu çaçlaılşımşmadadaa kküürerseeslel kokonnuummlalmamaa sissitsetmemlelreirnininin ddüüşmşmanan tatraarfaıfnınddanan kkaraırşıtşıtrıırlıdldığıığı dduururummlalradrdaa eleelketkrtoroopptitki-kk-ıkzıızlıölötetseisi kakmamerear/aa/raaryaıycııcı veve ddüüşüşükk hhasassassaisyieyteltili tatkatkitkik ataatlaeltesteslel nnavaivgiagsaysoyonn sissitsetmemi iilieleddoonnataıtlımlmışışfüfüzeze sissitsetmemlelreirnininingögörerveeve ddeveavmamededebebilimlmeseisiiçiiçninyeyreröölçlmçmeealaglogorirtimtmalaalraırnınınınkkuulllalnanılıdldığıığı öölçlüçümm yöyönntetmemlelreiri öönnereirlimlmişitşitri.r. UUçuçuş ş yöyörürünngegseisi bbooyuyunncaca gögörürülelbebilielnensisninyaylalyayyaıycııcısasyaıysıısnınaabbağalğılıoolalraarkaküüççtitpipkkoonnuumm gügünnceclellelmemeeyöyönntetmemi ikkuulllalnanılımlmışı,ş,hhereryöyönntetmemddekeki igegoeommetertirkik kkısııstıltalrar dduuyayralrılkık kakyabybı ı öölçlüçütütü kukulllalnanılıalraarkak tatnanımımlalnanmmışıtşıtrı.r. KKesetsitrimrmee yöyönntetmemlelreirnininin uuygyugunn kukulllalnanımımı ı iliele pplaltaftoformrmuunn KKalamlmanan fiflitlrterseisnininin gegreerkeklili ddüüzezletlmtmeleelreiri alaalbabilidldiğiiği veve nnavaivgiagsaysoyonn çöçözüzümmüünnüü isitsetnenenen öölçlüçüddee ddüüzezletletbebilidldiğiiği gögöstsetreirlimlmişitşitri.r.

77.. KKaayynnaakklalarr

[1[1] ] SSchchmmididt,t,GG.,.,““ININSS/G/GPPSSTTecehchnnoolologygyTTrernendds”s”, ,NNAATTOO SSEETT MMililtiatrayry CCapapababililtiteises EEnnabablelded BByy AAddvavnancecses inin NNavaivgiagtaitoionnSSenensosorsrsSSymymppoosisuiumm. .AAnntatlaylay,a,1-12-2OOctcotobberer 2200077. .

[2[2] ] ““BBasaiscicGGuuidideetotoAAddvavnancecdedNNavaivgiagtaitoionn””, ,NNAATTOORRTTOO

PPuubblilciactaitoionn, S, SEETT-0-5045/4R/RTTGG-3-03,02, 200044. .

[3[3] ] BBenenshshooof,f, PP.,., ““CCiviivlilainan GGPPSS syssytsetmems s anandd PPootetnentitailal

VVuulnlnerearbabililtiteise”s”, ,

74764t6hth TTesetst SSqquuadadroronn, ,

hhtttptp:/:/w/wwwww.n.navacvecnen.u.ucsccsgc.gg.ogov/vc/gcsgisci/cm/meeteitningsg.s. 2200044. .

[4[4] ] EEkküütetkekinin, , VV.,., ““NNavaivgiagtaitoionn anandd CCoonntrtorol l SStutuddieises oonn

CCruruisieseMMisissislielse”s”, ,PPhh.D.D. .TThheseissi,s,MMecehchananiciaclalEEnngignineereirningg

DDepept,tM, MEETTUU, J, aJnanuuarayry2200077. .

[5[5] ] SSioiouurirsi,s, GG. . MM.,., ““MMisissisliele GGuuididanancece anandd CCoonntrtorol l

SSysytsetmems”s”, ,SSpprirningegre-rV-VerelralgagNNewewYYoorkr,k,InInc.c,.,ppp. .55511--

557766, ,2200044. .

[6[6] ] FFMM6-62-,2,““TTacatcitcisc,s,TTecehchnniqiquuese,s,ananddPProrocecdeduurersesfofrorFFieiledld

AArtritlillelreyry SSuurvrevye”y”, , HHeaedadqquuaratretresr,s, DDepeparatrmtmenent t oof f ththee

AArmrmy,y,WWasahshiningtgotonn, ,DDCC, ,11997722. .

[7[7] ] HHmmamam, , HH.,., ““MMoobbiliele PPlaltaftoformrm SSelefl-fL-Loocaclailziaztaitoionn, ,

InInfoformrmataitoionn, ,DDeceicsiisoionnananddCCoonntrtorol”l”, ,2200077IDIDCC0077ppp

224422-2-24477. .

[8[8] ] BBrardady,y,MM.,.,CCamamereoronn, ,SS.,.,DDuurrrarnant-tW-Whhytyet,e,HH.,.,FFlelcekck, ,MM.,.,

FFoorsrystyhth, ,DD.,.,NNoobblel,e,AA.,.,““PProrogrgersesssTToowwaradrdaaSSysytsetmemththatat

cacnan AAcqcquuiriere PPalalleltests anandd CClelaenan WWaraerhehoouusesse.s”.”, ,

PProrocecedediningsgs oof f ththee InIntetrenrnataitoionnalal SSymymppoosisuiumm oonn

RRoobbootitciscsRReseesaeracrhch, ,SSanantataCCruruz,z,CCAA, ,AAuugugustst11998877, ,ppp. .

335599-3-37744. .

[9[9] ] KKooyuyunncucuHH.,.,YYanang,g,SShhuuananggHHuua,a.,.““AASSuurvrevyeyoof fInInddooor r

PPoosistiitoionniningg anandd OObjbejcetct LLoocactaitningg SSysytsetmems”s”, , IJICJCSSNNSS

InIntetrenrnataitoionnalalJoJouurnrnalaloof fCCoommppuutetrerSSciceinenceceananddNNetewtwoorkrk

SSeceucurirtiyt,y,VVool.l1.100, ,NNoo.5.5, ,MMayay22001100, ,ppp112211-1-12288. .

[1[100] ]HHuui i LL.,., HHoouushshanangg DD.,., PPatat BB.,., JiJningg LL.,., ““SSuurvrevyeyoof f

WWirierleelsesssInInddooor rPPoosistiitoionnininggTTecehchnniqiquuesesananddSSysytsetmems“s“, ,

IEIEEEEETTrarnansascatcitoionns soonnSSysytsetmems,s,MManan, ,ananddCCybyberenrneteitcisc—s—

pparatrt c:c: AAppplilciactaitoionns s anandd RReveiveiwews,s, VVool.l. 3377, , nnoo. . 66, ,

NNoovevmembberer2200077, ,ppp. .11006677-1-1008800. .

[1[11] ]CCoohhenen, ,CC.,.,KKoosss,s,FF.,.,““AACCoommpprerhehenensisvieveSStutuddyyoof fTThhreree

OObjbejcetctTTrirainangugulaltaitoionn””, ,PProrocecedediningsgsoof fSSPPIEIECCoonnfefreernencece

oonnMMoobbilieleRRoobbootst,s,1199933. .

[1[122] ]““NNVVTTHHEERRMMUUsesre’rs’sMMananuuala”l”, ,UU.S.SAArmrmyyRRDDEECCOOMM, ,

CCEERRDDEECC, , NNigihght t VVisiisoionn anandd EElelcetcrtoronnicic SSenensosorsrs

DDiriercetcotorartaet,e, MMooddeleilningg && SSimimuulaltaitoionn DDiviivsiisoionn, , FFoortrt

BBelevlovoiri,r,VVAA, ,AAuugugustst22001100. .

[1[133] ]GGüünnere,r, DD. . RR. . LL. . ““InIneretritailal NNavaivgiagtaitoionn SSysytsetmem

ImImpprorovevmemenent t UUsisningg GGrorouunndd SStattaitoionn DDataat”a”, , PPhh.D.D. .

TThheseissi,s,MMecehchananiciaclalEEnngignineereirninggDDepeparatrmtmenent,t,MMEETTUU, ,

SSepeptetmembbere,r,22001122. .