Pasif torpido güdümü için yeni bir yöntem
A new method for passive torpedo guidance
Yazar: TURAN TOPALOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YAKUP SABRİ ÖZKAZANÇ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Oransal kontrol = Proportional control

Özet:
Torpidolar aktif veya pasif arayıcıya sahip mühimmatlardır. Pasif arayıcıya sahip torpido ile hedef takibi yapabilmek için pasif hedef izleme yöntemleri kullanılmalıdır. Hedef takibinde en çok kullanılan yöntemlerden biri Kalman filtresidir. Doğrusal Kalman filtresinde kullanılan dinamik modelin de doğrusal olması gerekmektedir. Pasif hedef takibinde ise kullanılan dinamik model doğrusal olmadığı için, Kalman filtresinin farklı türevleri veya farklı yaklaşımlar kullanılmaktadır. Pasif arayıcıların hedefi hangi bakış açısından izledikleri de takip açısından önem arzetmektedir. Hedef takibinin kalitesini belirleyen unsurlardan biri de torpido ile hedef geometrisidir.
Torpido güdümünde kullanılan oransal seyir güdümü, torpido-hedef yaklaşma hızına ihtiyaç duymaktadır. Torpidolar bu bilgiyi pasif arayıcı üzerinden elde edememektedirler. Bu nedenle güdüm algoritmasında ortalama bir yaklaşma hızı kullanılmaktadır. Bu güdüm yaklaşımında torpidonun ıskalama mesafesi başarımını hedefin ne tarafından atıldığına göre değiştirebilmektedir.
Bu çalışmada, Genişletilmiş Kalman Filtresi ve Sözde Ölçümlü Kalman Filtresi olmak üzere iki farklı pasif izleme yöntemi üzerinde durulmuştur. Bu iki yöntem kullanılarak torpido pasif arayıcısı ile pasif hedef takibi yapılmıştır. Farklı senaryolarla simülasyonlar yapılmış ve torpido anlık olarak farklı manevralara maruz bırakılarak farklı ölçüm geometrileri elde edilmiştir. Bu simülasyonlarla en iyi takibi sağlayacak ölçüm açısı döngüsel bir yöntemle bulunmaya çalışılmıştır.
Bulunan bu ölçüm açısını sağlayacak ivme ile oransal seyir güdüm ivmesi, bir ağırlıklandırma fonksiyonu ile birleştirilmiştir ve hibrit bir güdüm ivmesi hesaplanmıştır. Nihai güdüm ivmesi ile aynı anda hem pasif hedef takibi yapılarak hedef durum değişkenleri kestirilmiştir hem de torpidonun hedefe doğru güdümlenmesi sağlanmıştır. Kestirilen hedef hızından torpido-hedef geometrisi kullanılarak yaklaşma hızı hesaplanmıştır. Hesaplanan yaklaşma hızı ve ortalama yaklaşma hızı, oransal seyir güdümüne girdi olarak verilerek farklı senaryolar üzerinde başarım analizleri yapılmıştır. Daha sonra simülasyonları daha gerçekçi yapmak için, pasif arayıcı gimbal açıları limitlenmiş ve hedefe belirli bir mesafe kala torpido güdümü kesilmiştir. Böylelikle daha gerçekçi senaryolarda kestirilen yaklaşma hızının oransal seyir güdümü üzerinde ne kadar etkili olduğu da anlaşılmaya çalışılmıştır.

Abstract:
Torpedoes are ammunition that have active or passive seekers. Passive target tracking methods should be used to track targets with torpedo that has passive seeker. Kalman filter is the one of the most commonly used methods in target tracking. The dynamic model used in the linear Kalman filter must also be linear. In the passive target tracking, since the dynamic model used is not linear, different variants of Kalman filter or different approaches are used. Which point of view that passive seekers tracks the target from is important in terms of tracking. One of the factors that determine the quality of target tracking is the torpedo - target geometry.
The proportional navigation guidance that used in torpedo guidance requires torpedo – target closing velocity. Torpedoes cannot obtain this information through the passive seeker. Therefore, an average closing velocity is generally used in the guidance algorithm. This guidance approach can change the performance of the torpedo according to what side of the target that torpedo is fired from.
In this study, two different passive target tracking methods, namely Extended Kalman Filter and Pseudo Measurement Kalman Filter, are investigated. Passive target tracking is performed by using these two different methods. Simulations are made with different scenarios and different measurement geometry are obtained by the torpedo that is instantly exposed to different maneuvers. The measurement angle which will provide the best quality tracking is tried to find by a recursive method with these simulations.
The acceleration that provides the found measurement angle and the acceleration that provides the proportional navigation guidance are merged by coefficient function and the ultimate demanded acceleration is calculated. Target state variables are estimated and the torpedo guidance to the target is provided by performing passive target tracking with ultimate demanded acceleration at the same time. Closing velocity is calculated from estimated target velocity by using torpedo – target geometry. The calculated closing velocity and average closing velocity are given as input to the proportional navigation guidance and performance analyzes are performed on different scenarios. In order to make the scenarios more realistic, the passive seeker gimbal angles are limited and the torpedo guidance is terminated at a remaining certain distance to the target. Thus, in more realistic scenarios, it is tried to understand how effective the estimated closing velocity is on proportional navigation guidance and the torpedo performance.