Elektronik harp sistemi ile konum belirleme: Deniz gözetleme istasyonları için stratejik yerleşim planları
Position determination with electronic warfare system: Strategic location plans for maritime surveillance stations
Yazar: CANBERK BERBER
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜR KABAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering

Özet:
Günümüzde, teknolojinin getirdiği yenilikler sayesinde hassas olarak elde edilen
konum bilgisi hayatımızın ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. Konum bilgisi elde
etmenini birçok alternatif metodu bulunsa da en yaygın olarak kullanılan Küresel
Uydu Navigasyon Sistemleri'nden (GNSS) Küresel Konumlandırma Sistemi
(GPS)'dir. Bu sistemleri günlük yaşantımızın birçok noktasında yoğun olarak
kullanmaktadır.
Denizcilik faaliyetlerinde de yüksek doğruluklu konum bilgisine sahip olmak büyük
önem taşımaktadır. Son derece hassas konum bilgisi sağlayabilme kapasitesinden
dolayı GPS, askeri ve sivil deniz araçlarında yaygın olarak kullanılmakta ve birçok
sisteme veri sağlamaktadır. GPS, birçok avantaja sahip olmasının yanında bazı
dezavantajları da mevcuttur. Belirli durum ve koşullarda, GPS tarafından sağlanan
bilgiler manipüle edilebilir, çevresel faktörlerden olumsuz etkilenebilir ya da sistem
tamamen hizmet dışı kalabilir.
Bu çalışma, GPS veya herhangi bir GNSS sisteminin çalışmadığı durumlarda konum
tespiti için alternatif bir yerel konumlandırma sistemi (LPS) önermektedir. Kıyı, açık
deniz ve okyanus gibi alanların gözetimi için kullanılan deniz gözetleme
istasyonlarının aktif radar emisyonlarından yararlanılarak, askeri gemilerde yaygın
olarak kullanılan elektronik harp (EH) sistemleri aracılığıyla bir geminin konumunu
belirleyebilmek üzerine bir yaklaşım sunulmaktadır. Elektromanyetik yayınları tespit
edebilme yeteneğine sahip olan EH sistemleri, eş zamanlı olarak tespit edebileceği
birden fazla sinyal bilgisiyle konum bilgisi sağlayabilmektedir. EH sistemi tarafından
sağlanan konum bilgisinin doğruluğu, çeşitli değişkenlere bağlı olarak
değişmektedir. Bu yeteneğin maksimum fayda ile kullanılabilmesi için çalışma,
deniz gözetleme istasyonlarının yerleşimi üzerine bir model önerilmektedir. Bir tesis
yerleşim problemi olarak ele alınan bu model, geleneksel kapsama maksimizasyonu
ve maliyet minimizasyonu gibi amaç fonksiyonlarından farklı olarak, yapılan konum
tahmininde hata minimizasyonuna odaklanmaktadır. Çalışmanın amacı, herhangi bir
altyapı olmaksızın belirli bir bölgede minimum tahmin hatası sağlayacak şekilde
tesis yerleşimini optimize etmektir. Bu amaçla bir tamsayılı programlama modeli
önerilmektedir.
Çalışma kapsamında öncelikle konum belirleme teknikleri ve sensörleri detaylı bir
şekilde incelenmiştir. GPS sisteminde konum hatası oluşturabilecek bazı olumsuz
durumlar incelenmiştir. Ayrıca, tesis yerleşim problemleri konusunda kapsamlı bir
literatür taraması yapılarak, oluşturulacak modelin altyapısı hakkında detaylı bir
araştırma yapılmıştır. Çalışmanın ikinci, üçüncü ve dördüncü bölümlerinde bu
araştırmadan elde edilen bilgiler sunulmuş ve modeli oluşturan sistemler hakkında
detaylı bir bilgilendirme sunulmaktadır.
Oluşturulan modelin etkinliğini ölçmek ve kapsamlı analizler yapmak için çeşitli
programlar araclığıyla geniş bir analiz altyapısı oluşturulmuştur. Modelin etkinlik
analizleri için hazırlanan veri setleri, dünyanın coğrafi şekli, yüzey özellikleri ve çeşitli coğrafi yapılar dikkate almaktadır. Bu sayede, olabildiğince gerçekçi bir
model oluşturulması hedeflenmiştir. Bu coğrafi etkiler, kullanılan matematiksel
formüller aracılığıyla modele entegre edilmiştir. Oluşturulan model, üç farklı vaka ve
dört durum üzerinden detaylıca analiz edilmiş, ve elde edilen sonuçlar sunulan
modelin etkili çözümler sunduğunu göstermiştir.

Abstract:
In the contemporary digital era, precise location data has transcended convenience to
become a cornerstone of functionality in various sectors. Among the plethora of
methods available for obtaining geographical coordinates, Global Satellite
Navigation Systems (GNSS), with the Global Positioning System (GPS) at the
forefront, are the most prevalently utilized. These systems are ingrained in countless
facets of our day-to-day activities, ranging from navigation and logistics to complex
scientific research.
The indispensability of accurate location data is particularly pronounced in maritime
operations. Here, GPS not only supports basic navigation but also enhances the
operational capabilities of both military and civilian vessels. It interfaces seamlessly
with numerous maritime systems, facilitating a broad spectrum of activities that
depend on precise positioning information. However, the reliance on GPS carries
inherent risks. The system's susceptibility to manipulation by adversarial actions,
disruption by environmental conditions, or complete outage scenarios poses
significant challenges.
This paper introduces an innovative alternative: a Local Positioning System (LPS)
designed to function effectively when GNSS technologies, including GPS, are
compromised or unavailable. The proposed system leverages the active radar
emissions from maritime surveillance stations, which monitor coastal, offshore, and
oceanic zones. By integrating these signals with electronic warfare (EW) systems,
which are standard on modern naval ships and capable of detecting electromagnetic
emissions, our approach can triangulate a vessel's position with considerable
accuracy. The reliability of this positioning, however, hinges on a multitude of
factors including the number, placement, and capabilities of the participating
surveillance stations.
To optimize the deployment of these stations, the paper proposes a model framed as
a facility location problem. Unlike conventional models that prioritize coverage
maximization or cost efficiency, this model focuses on minimizing locational
prediction errors. This shift in objective underscores the critical need for precision in
adverse conditions where traditional systems fail. The proposed integer programming
model seeks to determine the most strategic placement of surveillance facilities
across a designated maritime area, ensuring optimal functionality without relying on
pre-existing infrastructure.
The paper begins by dissecting current position determination techniques, with a
particular focus on radar and EW systems. It thoroughly examines the potential
failings of GPS, including common errors and vulnerability scenarios. A substantial literature review supports this analysis, providing a robust theoretical foundation for
the proposed model. Early sections detail these findings, setting the stage for a
comprehensive understanding of the involved technologies.
To assess the effectiveness of the proposed model, the study establishes a rigorous
analytical framework employing various software tools. Data sets crafted for these
analyses take into consideration the Earth's curvature, surface features, and diverse
geographical elements, aiming to mirror real-world conditions as closely as possible.
These geographical nuances are incorporated into the model via specific
mathematical formulations.
The model's robustness is evaluated through extensive simulations covering three
distinct cases and four operational scenarios. Each scenario is meticulously analyzed,
with results indicating that the proposed model not only compensates for the
limitations of GPS but also offers a resilient alternative capable of ensuring reliable
maritime navigation and operations in GNSS-denied environments. The conclusions
drawn from these analyses not only demonstrate the model's viability but also
suggest avenues for future enhancements and applications in similar fields where
precise location data is paramount.
This comprehensive review and development of the Local Positioning System
reflects a proactive approach to overcoming the challenges of reliance on GPS and
provides a strategic advantage in maritime operations and potentially other areas
where accurate location data is crucial. The model has been analysed in detail and
shown to provide a highly effective alternative in this regard. Even though the
military elements in particular will be able to make effective use of the infrastructure
created by this system, it offers an alternative methodology for civilian elements in
the future.
The study is designed as follows: maritime position finding methods, basic concepts
of the system and an overview of the structures. The literature on facility location
problems is presented and the model and analysis framework is described.
The study is designed as follows: Initially, the historical evolution, methodologies,
and sensors integral to position determination are thoroughly examined, constituting
the foundational chapters of the thesis. Following this, the study delves into the core
systems and techniques employed, alongside an analysis of adverse conditions that
may induce positional errors in GPS systems. An extensive literature review is
conducted within the scope of facility siting problems, encompassing a broad
spectrum of previous research. This review serves as the groundwork for an in-depth
exploration of the infrastructure underlying the proposed model, alongside the
mathematical models employed. Chapters two, three, and four present the
synthesized information from the literature review, offering detailed insights into the
systems that form the backbone of the proposed model. These chapters meticulously
outline the technical and theoretical underpinnings, providing a comprehensive
understanding of the subject matter. The fifth chapter introduces the solution
methodology devised to address the problem at hand. This section elucidates the
proposed mathematical model in detail, explicating its components and operational
framework. In the sixth chapter, the infrastructure for model efficiency analysis is
presented comprehensively. This section details the analytical techniques and tools
employed to evaluate the model's performance, ensuring a rigorous assessment of its
efficacy. The seventh chapter is dedicated to the evaluation of the analysis results.
This section interprets the obtained results and provides commentary on their implications. 
Additionally, it includes recommendations for future research aimed at further detailing and improving the study.
By systematically addressing the topic, this thesis aims to make significant
contributions to the field of position determination and facility siting problems,
offering both theoretical advancements and practical applications.