Arazi verisine dayalı konumlandırma ve seyrüsefer sistemi tasarlanması
Development of a terrain referenced localization and navigation system
Yazar: HİKMET YİĞİT
Danışman: YRD. DOÇ. DR. GÜRAY YILMAZ
Hava Harp Okulu Komutanlığı / Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yazılım Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
İnsansız hava araçları kullanılarak icra edilen her görev hassas bir konum bilgisine ihtiyaç duymaktadır. Son yıllarda, konum bilgisi hemen her uygulamada önem arz eder hale gelmiştir fakat hava seyrüseferi uygulamalarında, havacılık tarihinin ilk uçuşundan beri konum malumatı hayati bir öneme haizdir.Birçok çeşit seyrüsefer yardımcısı mevcuttur, fakat bunlardan pek azı hava aracına doğrudan pozisyon bilgisi sağlar. Bunlar içerisinde en önemli olanlardan bir tanesi de ataletsel seyrüsefer sistemidir (INS). Bu sistemler bir hava aracının pozisyon, hız, durum ve baş bilgilerini üç eksende ölçülen ivme ve açısal hıza bağlı olarak hesaplayabilir. Söz konusu hesaplamaların gerçekleştirilebilmesi için dışarıdan herhangi bir bilgiye duyulmamaktadır. Fakat zaman içerisinde toplanarak artan hataların diğer sistemler marifetiyle düzeltilmesi gerekmektedir. Bunlardan en yaygın olanı GPS (Global Positioning System) olarak adlandırılan ve yaygın kullanımı bulunan sistemdir. Diğer yandan GPS, kullanımı esnasında karıştırılabilir ve/veya sistemde bir takım arızalar meydana gelebilir. Bu gibi durumlar özellikle arama-kurtarma, gözetleme, keşif, sınır devriyesi vb. askeri operasyonlarda telafi edilemeyecek sonuçlar doğurabilir.Son yıllarda, GPS sistemine alternatif ve yedek olarak, Arazi Verisine Dayalı Seyrüsefer Sistemleri akademik, ticari ve askeri alanlarda oldukça ilgi görmektedir. Bu sistem, bir hava aracının coğrafi konumunu, ölçülen arazi yükseklik değerlerini daha önceden uçağa yüklenmiş sayısal yükseklik haritası ile mukayese ederek belirler. Böylece bu bilginin INS ile birlikte kullanılması sonucu doğru bir pozisyon kestirimi sağlamış olur. Buna ilave olarak, uçak üzerinde kaydedilmiş sayısal harita ve arazi ölçümleri karıştırılmaya ve arızalara karşı hassas değildir. Sonuç olarak dışarıdan herhangi ilave bir bilgi olmaksızın hava aracı için gereksinim duyulan güvenilir konum bilgisi sağlanmış olacaktır.Bu çalışma sayısal arazi harita bilgisine dayalı olarak İnsansız Hava Araçlarının (İHA) konumlandırma ve seyrüseferini ele almaktadır. Birçok İHA uygulamasında en önemli noktalardan biri de devamlı olarak hassas konum bilgisi sağlamaktır. Bu çalışmada, Bayes teoreminin bir uygulaması olan Parçacık Süzgeci yöntemi araziye dayalı konumlandırma ve seyrüsefer sistemi için uyarlanmıştır. Hava aracının konumuyla ilgili dolaylı bilgi radar altimetre ölçümleri ile elde edilmiştir. Yeni ölçümler alındığı anda bu bilgiler sayısal yükseklik haritası ile karşılaştırılmış ve hava aracının konumu kestirilmeye çalışılmıştır. Hava aracının konumuna ilişkin bilgi bir grup parçacık ve sahip oldukları ağırlıklar cinsinden verilmiştir. Böylelikle, araziye dayalı seyrüsefer algoritması parçacık kestirim yöntemi ile sunulmuştur. CUDA? yazılımına ait kütüphanelerin de kullanılarak gerçeklendiği algoritma Grafik İşlemci Birimlerinde (GPU) de test edilmiştir. Böylece, başlangıçtaki çok büyük ufki konum hatalarından kaynaklanan işlemsel yükün üstesinden gelinebilmiştir. Tasarlanan algoritma MATLAB ortamında gerçeklenmiş olup, Türkiye'nin bir bölümünü içeren gerçek arazi yükseklik verisi üzerinde değerlendirilmiştir. Tasarlanan ARVEDAKS sistemi bir hava aracına sınırlı bir hata ile hassas konum bilgisi verebilmektedir. Tez çalışmasında benzetimler sonucu elde edilen sonuçlara da yer verilmiştir.

Abstract:
Each operation which is conducted with Unmanned Air Vehicles needs accurate position information in order to complete the mission successfully. Nowadays, location information is crucial in every application but it is vital for the navigation applications since the first flight of the aviation history.There are different kinds of navigational aids; however, a few of those can provide position information directly to the aircraft. One of the most important position information providers of the aircraft is the inertial navigation system (INS). INS can compute position, velocity, attitude and heading of an aircraft based on measured accelerations and angular rates in three dimensions. This system does not need any information outside to calculate these values but the accumulated error of the INS over time have to be corrected by means of other systems. Global Positioning System is the most common one of these systems. However, GPS can be jammed or some failures may occur during operations. These circumstances can cause unrecoverable results which are not desired especially in military operations such as search and rescue, surveillance, reconnaissance and border patrol missions.Terrain Referenced Navigation is another promising method in order to estimate location information of the flying aircraft by analogizing the measured terrain height values to stored digital elevation map. Therefore, association of these data with the inertial measurement unit data can be exploited to make a good position fix. Moreover, neither the stored data structure nor the measurements are prone to failures or can be easily jammed. Thus, Terrain Referenced localisation and navigation can support the navigation system with the reliable position information without any help of outer sources.This study focuses on positioning and navigation of Unmanned Air Vehicles (UAVs) based on digital terrain map data. In many UAV applications one of the most important points is to provide accurate location information continuously. The terrain referenced navigation (TRN) can supply the air vehicle with the accurate position information with a bounded error. In this study, the particle filtering method as an implementation of Bayesian approach to the terrain referenced navigation is described. The radar altimeter measurements are used as an implicit representation of aircraft position. Whenever new measurements are taken they are compared to the Digital Terrain Map (DTM) data in order to fix a position. The solution is represented, in a Bayesian framework, by a set of particles with their corresponding weights. We have developed the terrain referenced navigation algorithm based on the particle approximation. The proposed algorithm which is developed in CUDA? framework is also tested on the GPU environment. Thus, we can cope with the computational load of the very large initial horizontal position errors. The proposed algorithm has been implemented in MATLAB environment and evaluated on simulated data and over real digital terrain elevation data which belongs to the part of a region in Turkey. The simulation results are provided.The contribution of the thesis is the demonstration of the accurate location information and tracking of an aircraft with using a particle filter method along with the model uncertainties and bounded errors. Moreover, we applied parallel independent particle sets each has the same number of particles. Therefore, we could able to approximate the true position of the aircraft in acquisition phase with at least one particle set. On the other hand, it is demonstrated that the GPU computing can significantly increase the performance of the proposed algorithm especially when using independent particle sets. Thus, real time system requirements for computing could be met. The real time system requirement is dependent on the altitude update interval of the radar altimeter. It is assumed in the paper that the radar altimeter update interval is 33 Hz.