TR2022008668A1 - Mesafe ölçümü destekli̇ uçuş si̇mülasyonu tabanli navi̇gasyon yöntemi̇ - Google Patents

Abstract

Buluş, sadece tek bir mesafe ölçüm sensöründen alınan mesafe ölçümünü, konum ve hız bilgisiyle ilişkilendirerek, gerçek zamanlı yörünge hesaplamasıyla elde edilen konum ve hız verilerinin güncellenmesini sağlayan bir yöntem ile ilgilidir.

Description

TARFNAME MESAFE ÖLÇÜMÜ DESTEKLI uçus SIMÜLASYONU TABANLI NAVIGASYON YÖNTEMI Bulusun ilgili oldugu teknik alan: Bulus, sadece tek bir mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe ölçümünü, konum ve hiz bilgisiyle iliskilendirerek, gerçek zamanli yörünge hesaplamasiyla elde edilen konum ve hiz verilerinin güncellenmesini saglayan bir yöntem ile ilgilidir. Teknigin bilinen durumu: Roket/füze sistemlerinde uçus öncesinde, hedef hatti istikamet açisi, namlu yükselis açisi, ilk hiz degeri, rüzgar hizi vb. bilgiler kullanilarak teorik bir yörünge hesaplanir. Bu teorik yörüngeye göre de mühimmatin hangi anda nerede oldugu tahmin edilebilir. Ancak bu tahmin hatalidir çünkü ilk hiz belirsizligi, meteoroloji belirsizlikleri, sürtünme belirsizlikleri ve diger bozucu etkiler neticesinde uçus öncesinde hesaplanan teorik yörünge ile gerçeklesen yörünge birbirinden farklilasmaktadir. Uçus boyunca farkli bir destek sisteminden, teorik yörünge hesaplamalarina girdi saglanarak yörünge hesaplamasi iyilestirilmesi amaçlanmaktadir. Mesafe ölçer sistemler ile alici-verici sensörler arasindaki sinyal uçus süresinden (time of flight) mesafe ölçümleri gerçeklestirilir. Sadece hesaplanan mesafe ölçümleri kullanilarak konum hesaplanabilmesi için minimum 3 mesafe ölçüm sensörüne ihtiyaç vardir (Enlem, Boylam, Yükseklik üç bilinmeyenini bulmak için en az üç adet denklem gereklidir). Sadece tek bir mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe ölçümünü, konum ve hiz bilgisiyle iliskilendirerek, gerçek zamanli yörünge hesaplamasiyla elde edilen konum ve hiz verilerini güncellemek için kullanan bir sistem teknigin bilinen durumunda yer almamaktadir. Teknigin bilinen durumundaki "U86262680" numarali basvuruya konu edilen bulusta, pasif menzil sisteminin bir izleme sisteminin gözlem hatalarini (gürültüler ve önyargilar) azaltabilen bir roket yörünge tahmin yönteminden bahsedilmektedir. Roket üzerinde hiçbir dis kuvvet çalismadigi için roket yörüngesinin rota ortasi asamasinda degismez oldugu gerçegini kullanir. Kalman filtresi, sapmalarin neden oldugu roket yörüngesinin sahte degisimini kullanarak gözlem verilerinden (EL, AZ) sapmalari tahmin edebilir. Teknigin bilinen durumundaki "US7249730" numarali basvuruya konu edilen bulusta, merminin bir hedef konumuna dayali olarak merminin yörünge yolunun tahmin edilmesi; tahmin edilen yörünge yoluna dayali olarak yörünge yolu hatalarinin hesaplanmasi; veri sensörlerinin her birinden uçus sirasinda verilerin üretilmesi; bir füzyon filtresi kullanarak uçus sirasindaki verileri tek bir zaman serisi çiktisinda birlestirmek; tek bir zaman serisi çiktisina, firlatma öncesi verilere ve yörünge yolu hatalarina dayali olarak merminin yörünge konumunun izlenmesi; izlenen yörünge yolunun tahmin edilen yörünge yolu ile karsilastirilmasi; merminin hedef konuma basarili bir sekilde navigasyonunu ölçmek için uçus sirasindaki verileri analiz etmek; ve mermiyi, yörünge pozisyonuna dayali olarak hedef konuma kendi kendine yönlendirmek ile ilgilidir. Teknigin bilinen durumunda mesafe ölçümleri kullanilarak konum hesaplanmasi ile ilgili çalismalar bulunmaktadir. Bu çalismalar genellikle dört ya da daha fazla sayida mesafe ölçümü kullanilarak dört bilinmeyenin (3 adet konum degiskeni ve 1 zaman degiskeni) bulunmasina dayalidir. Ancak sadece bir istasyondan gelen mesafe ölçümünü (slant range) kullanarak, uçus süresince 6DOF simülasyonu ile hesaplanan konum ve hiz verilerinin güncellenmesi yer almamaktadir. Bulus ile, iki eksende (menzilce ve yükseklikçe) iyilestirme yapabilmesi saglanmaktadir. Bu sayede (155 mm top mermileri için gelistirilen Menzilce Güdüm Kiti, THGS projesinde yanca düzeltme yapilmasina gerek olmamaktadir. Böylece, sadece mühimmat ve firlatma araci arasindaki mesafeleri ölçerek iki eksendeki konum ve hiz verileri düzeltilebilmektedir. Bu sebeple, tek bir sensörden alinan mesafe ölçümünü kullanarak teorik yörünge hesaplamasinin uçus boyunca iyilestirilmesini saglayan bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadir. Sonuç olarak yukarida anlatilan olumsuzluklardan dolayi ve mevcut çözümlerin konu hakkindaki yetersizligi nedeniyle ilgili teknik alanda bir gelistirme yapilmasi gerekli kilinmistir. Bulusun amaci: Bulus, sadece tek bir mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe ölçümünü, konum ve hiz bilgisiyle iliskilendirerek, gerçek zamanli yörünge hesaplamasiyla elde edilen konum ve hiz verilerinin güncellenmesini saglayan bir yöntem ile ilgilidir. Bulusun en önemli amaci, kendi muhasim sinyallerini üretebilen, frekans atlamali ve mesaj yapisinin gizli olmasi nedeniyle karistirma/aldatma (jamming/spoofing) saldirilarindan etkilenmeyen, harici bir destek sistemine ihtiyaç duymadan çalisabilen, kalibrasyon ihtiyaci olmayan bir mesafe ölçer sensör ile gerçeklestirilen mesafe ölçümlerini kullanarak uçus mekaniginden elde edilen konum ve hiz bilgisinin, her ölçüm alindiginda düzeltilmesini saglamasidir. Bu sayede, görev bölgeleri dolayisiyla karistirma/aldatma saldirilari tehdidi altinda olan, dolayisiyla KKS alicisi kullanamayan topçu sistemlerine yeni bir çözüm saglamaktadir. Bulusun bir diger amaci, sadece bir istasyondan gelen mesafe ölçümünü (slant range) kullanarak, uçus süresince 6DOF simülasyonu ile hesaplanan konum ve hiz verilerini güncellemeyi saglamasidir. Bulusun yapisal ve karakteristik özellikleri ve tüm avantajlari asagida verilen sekiller ve bu sekillere atif yapilmak suretiyle yazilan detayli açiklama sayesinde daha net olarak anlasilacaktir. Bu nedenle degerlendirmenin de bu sekiller ve detayli açiklama göz önüne alinarak yapilmasi gerekmektedir. Bulusun açiklamasi Bulus, sadece tek bir mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe ölçümünü, konum ve hiz bilgisiyle iliskilendirerek, gerçek zamanli yörünge hesaplamasiyla elde edilen konum ve hiz verilerinin güncellenmesini saglayan bir yöntem ile ilgilidir. Küresel Konumlandirma Sistemleri (KKS), kullanilan özel algoritmalar sayesinde çok düsük güçlü sinyallerle dahi yüksek dogrulukla konum, hiz ve zaman çözümleri elde edilebilmesini mümkün kilmaktadir. Ancak üretilen çözümün güvenilirligi sistem kaynakli hatalar, sinyal kesintileri, kasitli ya da istemsiz karistirma gibi çesitli risklerden etkilenmektedir. Özellikle KKS sinyallerinin baskilandigi durumlarda konumlama gereksinimini karsilamak üzere alternatif yöntemlerin kullanilmasi ihtiyaci olusmaktadir. Bu dogrultuda, KKS sinyalleri ve sistemlerinden tamamen bagimsiz olarak çalisabilen bir sistemin kullanilabilirligi degerlendirilmistir. Genis bantli mesafe ölçerler ile sensörler arasindaki uzaklik ölçümleri; tek yönlü mesafelendirme ya da iki yönlü mesafelendirme adi verilen, sinyal gidis sürelerinin (time of flight, TOF) hesaplanmasina dayanan yöntemle yapilmaktadir. Sinyallerin sensörlere ulasma süresinin isik hiziyla çarpilmasi sonucu sensörler arasindaki mesafeler hesaplanmaktadir. Mesafe ölçümünde kullanilan uzaklik destekli navigasyon algoritmasi Kalman filtresi kestirimine dayali uçus dinamigi tabanli bir yöntemdir. Uçus süresi boyunca araç üzerinde bulunan yer istasyonu ile mühimmat arasindaki uzaklik ölçümlerini, uçus dinamigi tarafindan teorik yörüngeye göre türetilen üç boyutlu navigasyon çözümünü iyilestirmek için kullanilmaktadir. Uçus mekanigi modelini 6DOF olarak Newton-Euler denklemleri (equations of motion) ile olusturulmustur. Eksenel sürüklenme (Cx) ve yerçekiminin (g) etkisi de modelde bulunmaktadir. 4 durumlu (X ve Y eksenine ait yer degistirmeler ve hizlar) bir Kalman Filtresi kullanilmaktadir. Ölçümlerde ise mesafe ölçer çiktilari ve uçus mekaniginden elde edilen yükselis açisi (theta) kullanilmaktadir. Mesafe ölçerden ölçüm alinamadigi durumda da konum ve hiz çözümü üretmeye belli bir dogrulukla devam edilmesini ve yapilan mesafe ölçümleri hatali olursa bu hatali ölçümün kullanilmamasini saglanmaktadir. Mesafe ölçümleri, uçus mekanigi çiktilariyla tightly coupled integration (siki baglantili entegrasyon) yöntemiyle birlestirilmektedir. Uçus öncesi görev parametreleri ile konum ve hiz bilgisi sisteme girilmektedir. Uçus baslangiciyla birlikte, uçus mekanigi birimi bu veriler girdi olarak verilmeye baslanmaktadir. Uçus mekanigi birimi islemci üzerinde çalismaktadir. Uçus mekanigi birimi bir zaman adimi sonrasindaki pozisyon ve hiz verilerini hesaplamaktadir. Uçusun ilk kisimlarinda, motor yanmasi ve yüksek hiz nedeniyle hesaplanan pozisyon ve hiz çözümü bir miktar hatali olmaktadir. Firlatma araci ve mühimmat arasindaki mesafe ölçümleri ile uçus mekanigi algoritmasinin çiktilari dört durumlu dogrusallastirilmis siki bagli (tightly coupled) bir Kalman Filtresi ile entegre edilerek nihai pozisyon ve hiz verileri elde edilmektedir. Elde edilen pozisyon ve hiz çiktilari hatalari uçus boyunca mesafe ölçümleri yapilabildigi müddetçe O'a yakinsamakta, KKS çözümü kesildiginde ise iraksamaktadir. Ancak bu iraksama sadece uçus mekanigi kullanilan duruma göre çok düsük olmaktadir. Mesafe ölçümü destekli uçus simülasyonu tabanli navigasyon yönteminde, ataletsel ölçüm birimi (AÖB) kullanilmamakta, onun yerine füze/roket uçusu sirasinda karsilasilan dinamiklerin modellendigi uçus mekanigi kullanilmaktadir. AÖB (inertial measurement unit lMU, inertial navigation system lNS) aviyonik bir ünite oldugundan, sistem kompleksitesini artirmaktadir. Fiziksel olarak yer kaplamaktadir. Ayrica füze/roket gibi yüksek dinamikli sistemlerde hassas ve yüksek maliyetli (tactical grade/navigation grade) AÖB'lerin kullanilmasi gerekmektedir. Bu teknikte, fiziksel bir AÖB yerine direkt olarak algoritmasal bir uçus mekanigi modeli kullanilmaktadir. Uçus mekanigi birimi tarafindan atmosfer, itki, ataletsel, aerodinamik, dünya dönüsü ve yerçekimi parametrelerinin o anki konum ve hiza bagli olarak güncellenmekte ve bu parametreler kullanilarak kuvvet ve momentler hesaplanmaktadir. Hesaplanan kuvvet ve momentler ile n. anindaki pozisyon ve hiz verisi kullanilarak n+1. anindaki pozisyon ve hiz hesaplanmaktadir. Ancak uçus sirasinda karsilasilan belirsizlikler, hesaplanan degerlerin gerçek degerlerden farkli olmasina sebep olabilmektedir. Gerçeklestirilen mesafe ölçümleri ile uçus mekanigi birimi tarafindan hesaplanan pozisyon ve hiz verileri düzeltilmektedir. Tek bir mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe ölçümünü, konum ve hiz bilgisiyle iliskilendirerek, gerçek zamanli yörünge hesaplamasiyla elde edilen konum ve hiz verilerinin güncellenmesini saglayan mesafe ölçümü destekli uçus simülasyonu tabanli navigasyon yöntemi asagidaki islem adimlarini içermektedir; - uçus öncesinde kullanici tarafindan uçus mekanigi birimine girilen atis noktasi koordinatlari, hedef koordinatlari, namlu yükselis açisi ve kuzey açilarinin olusturdugu görev parametreleri bilgilerinin navigasyon birimine iletilmesi, - uçus baslangiciyla birlikte, mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe verilerinin navigasyon birimine girdi olarak verilmeye baslanmasi, - navigasyon birimi içerisinde katedilen mesafenin o anki pozisyon bilgisine eklenmesi ve mesafe ölçümü degisiminin hiz bilgisine eklenmesi ile pozisyon ve hiz bilgisinin güncellenmesi, - navigasyon birimi içerisinde yer alan uçus mekanigi birimi tarafindan hesaplanan kuvvet ve momentler ile bir zaman adimi sonrasindaki pozisyon ve hiz verilerinin hesaplanmasi, - firlatma araci ve mühimmat arasindaki mesafe ölçüm bilgilerinin mesafe ölçüm sensöründen alinmasi, - firlatma araci ve mühimmat arasindaki mesafe ölçüm bilgileri ile hesaplanan bir zaman adimi sonrasindaki pozisyon ve hiz verilerinin çiktilari dört durumlu dogrusallastirilmis siki bagli bir Kalman Filtresi ile entegre edilerek nihai pozisyon ve hiz verilerinin islemci tarafindan hesaplanmasi. TR

Claims (1)

1.STEMLER . Tek bir mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe ölçümünü, konum ve hiz bilgisiyle iliskilendirerek, gerçek zamanli yörünge hesaplamasiyla elde edilen konum ve hiz verilerinin güncellenmesini saglayan mesafe ölçümü destekli uçus simülasyonu tabanli navigasyon yöntemi olup, özelligi; uçus öncesinde kullanici tarafindan uçus mekanigi birimine girilen atis noktasi koordinatlari, hedef koordinatlari, namlu yükselis açisi ve kuzey açilarinin olusturdugu görev parametreleri bilgilerinin navigasyon birimine iletilmesi, uçus baslangiciyla birlikte, mesafe ölçüm sensöründen alinan mesafe verilerinin navigasyon birimine girdi olarak verilmeye baslanmasi, navigasyon birimi içerisinde katedilen mesafenin o anki pozisyon bilgisine eklenmesi ve mesafe ölçümü degisiminin hiz bilgisine eklenmesi ile pozisyon ve hiz bilgisinin güncellenmesi, navigasyon birimi içerisinde yer alan uçus mekanigi birimi tarafindan hesaplanan kuvvet ve momentler ile bir zaman adimi sonrasindaki pozisyon ve hiz verilerinin hesaplanmasi, firlatma araci ve mühimmat arasindaki mesafe ölçüm bilgilerinin mesafe ölçüm sensöründen alinmasi, firlatma araci ve mühimmat arasindaki mesafe ölçüm bilgileri ile hesaplanan bir zaman adimi sonrasindaki pozisyon ve hiz verilerinin çiktilari dört durumlu dogrusallastirilmis siki bagli bir Kalman Filtresi ile entegre edilerek nihai pozisyon ve hiz verilerinin islemci tarafindan hesaplanmasi islemlerinin yapilmasina teminen islemci üzerinde çalisan uçus mekanigi birimi içermesidir. TR