Yeni nesil CNAV-2 seyrüsefer mesajının iyileştirilmesi ve modernizasyonu: CNAV-2M
Improvement and modernization of the next generation CNAV-2 navigation message: CNAV-2M
Yazar: AHMET ESAT SÜZER
Danışman: PROF. DR. HAKAN OKTAL
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Havacılık Elektrik ve Elektroniği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin: Hata kontrol kodlaması = Error control coding ; Kanal kodlama = Channel coding ; Küresel konumlandırma sistemleri = Global positioning system ; Küresel uydu seyrüsefer sistemi = Global satellite navigation system ; Modernleşme = Modernization ; Uydu konumu = Satellite position

Özet:
Küresel Uydu Seyrüsefer Sistemleri (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) günümüzde yapay zeka, otonom kara araçları, acil durumlarda konum tespiti, insansız hava araçları ve özellikle havacılık gibi hayati öneme sahip uygulama alanlarında kritik rol oynamaktadır. Uydudan gönderilen seyrüsefer mesaj bitlerinde meydana gelen hatalar, genellikle gürültü, zayıflama, kanal sönümlemesi, parazit, fiziksel kusurlar kanaldan kaynaklı olarak uydudan alıcıya iletim sırasında meydana gelmektedir. Bu
durumu en aza indirmek ve gelen seyrüsefer mesajının güvenirliliğini artırarak daha doğru çözümlenmesini sağlamak için birçok haberleşme sisteminde olduğu gibi GNSS sistemlerinde de herhangi bir yeniden iletim talebi olmaksızın gürültülü kanallar üzerinde meydana gelen bu hataları düzeltme yeteneğine sahip İleri Hata Düzeltme (Forward Error Correction) mekanizmasından faydalanılır.
Geçmişten günümüze kadar gelinen süreç içerisinde GNSS'te hataları düzeltmek ve veri bütünlüğünü kontrol etmek için Hamming, Bose–Chaudhuri–Hocquenghem (BCH), Konvolüsyonel ve Düşük Yoğunluklu Eşlik Kontrolü (Low Density Parity Check, LDPC) kodları olmak üzere dört yöntem tercih edilmiştir. Bahsedilen bu dört yönteme
ilave olarak Turbo ve özellikle son yıllarda oldukça popüler olan Polar kodlama ve gelişmiş versiyonları literatürde yoğun ilgi görmektedir. Yarı-Döngüsel Düşük
Yoğunluklu Eşlik Kontrolü (Quasi-Cyclic Low Density Parity Check, QC-LDPC), Turbo, Polar ve Döngüsel Artıklık Denetimi Destekli Polar (Cyclic Redundancy Check
Polar, CRC-Polar) kodlama gibi yöntemlerin GNSS mesaj yapısına uygulanması durumunda sergileyeceği performansı karşılaştıran ve özellikle işbirliği ve uyumluluk
programı çerçevesinde yakın gelecekte GPS, GLONASS, Galileo ve BeiDou olmak üzere bütün uydu seyrüsefer sistemleri tarafından ortak yayınlanacak yeni nesil CNAV-2 mesajında kullanımı üzerine herhangi bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Bu kapsamda, yedi kıyaslama ölçütü ışığında ortam gürültüsüne bağlı olarak yeni nesil CNAV-2 mesaj yapısı için özellikle yenilikçi haberleşme sistemlerinde kullanılan doğruluğu ve gürültüye karşı dayanıklılığı yüksek Konvolüsyonel, Turbo, LDPC, QC-LDPC, Polar ve CRC-Polar gibi çeşitli kanal kodlama yöntemlerinin sergileyecekleri performansı detaylı ve bütünsel olarak incelenerek modernize edilmiş yeni bir CNAV-2 mesaj yapısı önerilmiştir. Matrix Laboratory (MATLAB) ortamında geliştirilen simülasyon modeline dayalı olarak Konvolüsyonel, Turbo, LDPC, QC-LDPC, Polar ve CRC-Polar yöntemleri CNAV-2 mesaj yapısına uygulanmış ve her bir yöntemin sergilediği performans kıyaslama ölçütüne bağlı olarak mevcut durumlar referans alınarak değerlendirilmiştir. 
Bu değerlendirmeler ışığında, mesaj yapısı değiştirilmeden mevcut kanal kodlama yöntemleri yerine CRC-Polar yapısının kullanılması ile gürültüye karşı daha dayanıklı ve
daha iyi performans sergileyen yeni bir CNAV-2 mesajı önerilmiştir. CRC-Polar yönteminin uygulanması sonucunda alt-çerçeve 1 için 10^−3 BER oranında 0.9 dB, 10^−2 BER oranında alt-çerçeve 2 ile alt-çerçeve 3 için 0.72 dB ve 1.63 dB' lik bir kazanç sağlanmaktadır. Çalışmanın bir adım ötesinde elde edilen bu iyileştirme sonucunda CRC-Polar yönteminde kullanılan eşlik bitlerinin sayısı azaltılarak 1800 bit uzunluğunda ve 18 saniye süreye sahip CNAV-2 mesajı ile aynı BER performansı sergileyen ancak daha
düşük mesaj uzunluğu ve daha düşük süreye sahip CNAV-2M olarak isimlendirilen modernize edilmiş yeni bir yapı önerilmiştir. Bu doğrultuda, yapılan kapsamlı analiz
sonrası CNAV-2M mesajının uzunluğu 1500 bit ve süresi de 15 saniyeye düşürülmüştür. Bu durum, mesaj uzunluğunda sağlanan 300 −bitlik azalma ve 3 saniye sürenin kısaltılmasına, dolayısı ile yaklaşık %16.6 oranında bir tasarruf edildiği anlamına gelmektedir. Böyle bir durumda, CNAV-2M mesajını iletmek için 12 yerine 10 epok zamanı yeterli olmaktadır. CNAV-2 mesajının bütün uydu sistemleri tarafından ortak yayınlanacak olması dolayısı ile bu çalışmadan elde edilen sonuçların, mevcut uyduya dayalı konum belirleme sistemlerin modernizasyon çalışmalarına önemli katkılar sunacağı ve özellikle Türkiye gibi yerli ve milli hedefler doğrultusunda gelecekte kendi bölgesel uyduya dayalı seyrüsefer sistemini kullanmayı hedefleyen ülkelerin uydu sistemlerini geliştirme noktasında kritik bir rol oynayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Global Satellite Navigation Systems (GNSS) play a critical role in vital areas including especially aviation, artificial intelligence, autonomous land vehicles, location
detection in case of emergency situations and unmanned aerial vehicles. Errors in the navigation message that is sent from a satellite occur usually owing to the channel effects such as noise, attenuation, fading, interference, and physical defects. As in many systems, GNSS uses Forward Error Correction (FEC) mechanism, which is capable of correcting the aforementioned errors that take place on noisy channels without any re-transmission request, to increase the reliability of the navigation message.
From the past to the present, four different methods, namely Hamming, Bose–Chaudhuri–Hocquenghem (BCH), Convolutional and Low Density Parity Check (LDPC) codes, have been utilized to correct errors and to check data integrity in GNSS. Apart from these four methods, Turbo, especially Polar coding and its advanced versions, which have been very popular in recent years, have been attracted significant attention from a number of researchers. However, it has been not coincided with any study that compares the performance of methods such as QC-LDPC, Turbo, Polar and CRC-Polar on the message structure of satellite systems and especially the next generation CNAV-2. CNAV-2 differs from the conventional navigation message since it will be broadcasted by all satellite systems consisting of GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou in the near future within the framework of interoperability and compatibility program. In this framework, Convolutional, Turbo, LDPC, QC-LDPC, Polar, and CRC-Polar methods that are used in innovative communication systems and have more accuracy and robustness against noise are holistically and elaborately investigated for the new generation CNAV-2. Depending on the light of seven benchmarks under different noise levels, CNAV-2 message is improved and modernized, respectively. For this purpose, the CNAV-2 performance of Convolutional, Turbo, LDPC, QC-LDPC, Polar and CRC-Polar is evaluated based on the benchmarks using the developed simulation model in the Matrix Laboratory (MATLAB) environment.
In the light of the obtained results, when the CRC-Polar instead of the available channel coding methods without modifying the message structure, the proposed CNAV-2
message exhibits more robust against the noise and has a better performance. Along with the use of the CRC-Polar, the gain of the sub-frame 1 at 10^−3 BER is measured to be 0.9 dB in comparison with the reference value while those of the sub-frame 2 and 3 at 10^−2 BER are found to be 0.72 dB and 1.63 dB, respectively. In the next step, the number of parity bits used in the CRC-Polar method is reduced and then the CNAV-2M message structure having a lower message length and lower duration is proposed. The analysis results indicate that the CNAV-2M message including 1800 −bit and 18 seconds duration can be reduced to 1500-bit and to 15 seconds duration. The 300-bit reduction in message length and the reduction of 3 second duration mean that there is a significant improvement of approximately 16.6% in message length. Moreover, the CNAV-2M message needs only 10 epoch time instead of 12 epoch time. Since the CNAV-2 message is broadcasted together by all satellite systems, the results obtained from this study will contribute significantly to the modernization studies of the available satellite-based positioning systems. Furthermore, it will play a vital role in the system design for the countries such as Turkey, which aim to develop their own regional satellite-based navigation system in the future in line with domestic and national targets.