Çoklu hava-hava angajmanı problemine bir atış bölgesi tabanlı modelleme ve kontrol yaklaşımı
An engagement zone based modeling and control approach to the multi agent air-to-air engagement problem
Yazar: HÜSEYİN DENİZ KARACA
Danışman: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Atış zarfı belirlenmesi problemi askeri havacılık tarihinin başlangıcından beri genel bir uygulama problemi olmuştur. Bu alandaki ilk çalışmalar atış cetvelleri/çizelgeleri yardımıyla gerçekleştirilmişken günümüze gelindiğinde bu problemler için karmaşık hesaplama yöntemleri ve ileri seviye uçuş benzetimlerinden faydalanılmaktadır. Hava görevlerinde güdümlü silahların veya füzelerin atış sonrası erişebilecekleri silah angajman alanı (WEZ) bilgisine geçek zamanlı olarak sahip olunması, görev başarımı için ve bilhassa hava-hava görevlerinde pilotlar için hayati bir önem taşımaktadır. Hızlı değişen dinamikleri sebebiyle hava-hava angajmanlarında WEZ bilgisine gerçek zamanlı ya da gerçek zamana yakın bir şekilde ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun için hızlı çalışan fakat düşük detay seviyeli uçuş benzetimleri kullanılabileceği gibi, önceden elde edilmiş yüksek doğruluktaki altı serbestlik dereceli uçuş benzetim verileri kullanılarak da modelleme yapılabilir. Benzetim verilerinin kullanıldığı hava-yer görevlerinde bu teknik olası tüm uçuş koşullarındaki benzetim sonuçlarının modellemesi şeklinde uygulanabiliyorken, hava-hava problemlerinde tüm koşulları kapsamak için hedef irtifası, Mach sayısı ve görüş açıları gibi artan angajman parametrelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu parametreler eklendiğinde WEZ modellemesi için gereken benzetim sayısı katlanarak artmaktadır. Bu problemin çözümü için, tez çalışmanın ilk kısmında genel kapsamlı bir hava-hava füzesi için yüksek doğrulukta ve detay seviyesinde altı serbestlik dereceli bir benzetim modelli geliştirilmiştir. Daha sonra yüksek sayıdaki benzetim ihtiyacının azaltılması amacıyla modern ardışık deney tasarımı yöntemleri ve sinir ağlarının yinelemeli kullanımına dayalı yeni bir modelleme yöntemi sunulmuştur. Bu yöntemde, yinelemeli bir şekilde deney tasarımı yoluyla elde edilen noktalarda uçuş benzetimleri ve modelleme yapılarak matematiksel WEZ modelleri istenen performans seviyesine gelene kadar devam edilerek türetilmiştir. 
Çalışmanın ikinci kısmında ise çok etmenli bir hava-hava angajmanı için uçak modelleri geliştirilerek otonom angajman manevraları problemi ele alınmış, elde edilen WEZ modellerinin kontrol kısıtı veya başarım ölçütü şeklinde angajman problemine tanıtılması değerlendirilmiştir. Bu noktada yüksek dinamikler içeren bu sistem için geleneksel sürü kontrolü yöntemlerinin aksine son yıllarda hızla gelişen takviyeli öğrenme ile kontrol yöntemi uygulanmıştır. Çok etmenli hava-hava angajmanları için, önce tekli angajmanda otonom manevra kararı alacak bir algoritma hazırlanmıştır. Daha sonra, etmenlerin istenen sistem durumlarına hareket etmelerini sağlamak için bir hedef tahsis algoritması ve WEZ alanlarını dikkate alan bir çoklu angajman mimarisi oluşturulmuştur Çalışmanın sonucunda elde edilen öğrenme performansı ve angajman sonuçları benzetim ortamında farklı senaryoları için doğrulanmıştır.

Abstract:
The problem of launch envelope generation has been a general application problem since the beginning of military aviation history. While the first studies in this field were carried out with the help of firing tables/charts, today, complex computational methods and advanced flight simulations are used for these problems. In air missions, having real-time weapon engagement zone (WEZ) information for guided weapons or missiles is of vital importance for mission success, especially for pilots in air-to-air missions. Real time WEZ information can be obtained through fast but low-fidelity flight simulations, or it can be modeled using previously obtained high accuracy six-degree-of-freedom flight simulation data. In this technique of using simulation data, while air-ground missions can be implemented by modeling simulated results in all possible flight conditions, the number of simulations needed to cover all conditions of air-to-air engagement increases exponentially with increasing parameters such as target altitude, Mach number, and aspect angles. In the first part of this thesis, in order to solve this problem a six-degree-of-freedom simulation model for a generic air-to-air missile with high fidelity and detail level is developed. Then, in order to reduce the need for a large number of flight simulations, a new modeling method based on modern sequential design of experiments and iterative use of neural networks is presented. In this method, flight simulations and modeling are performed at the design points iteratively and mathematical WEZ models are derived by continuing until the desired performance level is reached. 
In the second part of the study, the problem of autonomous engagement maneuvers is addressed by developing aircraft models for a multi-agent air-to-air engagement environment, and the introduction of the obtained WEZ models to the problem in the form of control constraints and performance indices is evaluated. In contrast to traditional swarm control methods, control with reinforcement learning, which has developed rapidly in recent years, has been applied for this highly dynamic system. For multi-agent air-to-air engagements, first an algorithm to take autonomous maneuver decisions in single engagement is prepared. Then, a target allocation algorithm and a multi-engagement architecture that considers WEZ domains are established to ensure that the agents move to the desired system states. The learning performance and engagement results obtained from the study are validated in a simulation environment for different scenarios.