Geri Dön

Evasive maneuver trajectory optimization for ucav against air to air missile

İnsansız savaş uçağının hava-hava füzesinden kaçış manevrası için yörünge optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 719569
  2. Yazar: OZAN YAĞCI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Aeronautical Engineering, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 87

Özet

İnsanlı savaş uçaklarında, muharebe esnasında gelişen olaylara ilişkin verilecek tepkinin iki temel boyutu vardır. Bunlardan birincisi uçağın sensörlerinin sağladığı bilgiye göre hava aracının bilgisayarlarının pilota verdiği girdiler, ikincisi ise pilotun tecrübesi ve içgüdülerine göre verdiği kararlardır. Bu durum gelecekte hava muharebesinde hava üstünlüğüne aktif olarak katkıda bulunacak olan muharip insansız hava aracı (MİHA/UCAV) ya da diğer bir adıyla insansız savaş uçağı için farklıdır. Hava muharebesi hayatta kalmanın saniyelere bağlı olduğu bir muharebe biçimidir. İnsansız hava araçlarının yer istasyonunda bulunan pilotlar ile haberleşmelerinde olan gecikme hayatta kalabilirlik açısından en önemli zayıflığıdır. Bu zayıflığın üstesinden gelmek için gerçek zamanlıya yakın daha yüksek hızlı iletişim yöntemleri geliştirilebilir ancak bunun için uzun süreli bilimsel ve mühendislik araştırmaları yapılmalıdır ve bu maliyetli bir iştir. Bu zayıflığa karşı ikinci bir çözüm ise mümkün olan tüm görev türleri için otonom harekat yöntemleri geliştirmek sureti ile hava aracının hayatta kalabilirliğini arttırabilmek için sensörleri vasıtasıyla topladığı bilgiyi işlemesi ve insan girdisi beklemeden karşı tedbir manevrası uygulayabilmesidir. Bu tezde, ikinci olarak sözü edilen yöntem için çeşitli senaryolar oluşturularak insansız savaş uçağının hava-hava füzesinden kaçış manevrasının insan girdisi olmadan, hayatta kalabilirliği en iyileyecek şekilde icra edilmesi için yörünge optimizasyonu incelenmiştir. İnsansız savaş uçaklarının (UCAV) hava muharebesinde karşılaşabileceği potansiyel tehditler iki gruba ayrılabilir. Bu tehditler görüş hattı içi (Line of Sight - LOS) (havadan havaya füzeler ve düşman uçaklarının burun topları) ve görüş hattı ötesi (Beyond Line of Sight - BLOS) (havadan havaya füzeler ve uzun menzilli hava savunma sistemleri) tehditlerdir. Hava muharebesi tarihine bakıldığında görülmektedir ki görüş hattı içi hava-hava angajmanı hava sahasını savunmanın verimsiz bir yoludur. Yeni nesil harekat konseptlerinde eğilim düşman hava araçlarını görüş hattı ötesindeyken tespit etmek ve saldırmak şeklindedir. Buna göre gelecekte hava muharebesinin önemli unsurlarından olan insansız savaş uçaklarının (UCAV) karşılaşacağı en önemli tehdit görüş hattı ötesi tehditlerdir. Bu çalışmada ele alınan, modellenen ve benzetimi yapılan tehdit, görüş hattı ötesi (BLOS) havadan havaya füzelerdir. MİHA ve hava-hava füzesi arasındaki angajmanı incelemek için ilk olarak bir angajman geometrisi oluşturulmuştur. Angajman geometrisinde, 3 boyutlu uzayda füze ve MİHA'nın göreceli konumlarını ifade eden, görüş hattı (LOS), hız vektörleri, hücum açısı, uçuş yolu açısı ve baş açısı gibi faktörler kullanılmaktadır. Verilen geometriye göre MİHA'nın ve füzenin hareket denklemlerini ifade eden nokta-kütle modelleri oluşturulmuştur. Füze güdümünde yaygın olarak kullanılan Orantısal Seyir (Proportional Navigation -PN) yöntemi açıklanmış ve ilgili denklemler kurulmuştur. PN, füze ile hedef arasındaki anlık görüş hattı (LOS) hattına dik, görüş hattı oranı ve yaklaşma hızı ile orantılı olarak ivme komutu uygulayan bir güdüm yöntemidir. Füzenin enerji tüketimini hesaplamak için enerji tüketim formülasyonu modele dahil edilmiştir. Model oluşturulduktan sonra, MİHA'nın füzenin en fazla enerjiyi tüketmesini sağlayacak hücum açısını ve yatış açısını otomatik olarak komutlayabilmesi için bir optimizasyon algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritma temelde her bir zaman adımında MİHA'nın limitleri içerisinde füzeye en yüksek enerjiyi tükettirecek hücum açısını ve yatış açısını bulmaktadır. Bir sonraki zaman adımındaki değerlerin hesaplanabilmesi için nokta-kütle modellerinin diferansiyel denklemleri dördüncü dereceden Runge-Kutta yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Bu hesaplamaların ardından MİHA'nın bir sonraki zaman adımında bulunabileceği potansiyel noktalar için füzenin takip edeceği yörüngeler ve bu yörüngeleri takip edebilmesi için harcayacağı enerji miktarları hesaplanmaktadır. Son olarak MİHA, füzenin en çok enerji tüketeceği duruma karşılık gelen baş açısı ve hücum açısını uygulayarak bir sonraki zaman adımına geçmektedir. Her bir zaman adımı için bu işlem gerçekleştirildiğinde MİHA'nın nihai yörüngesi füzeye en çok enerjiyi tükettirecek şekilde ortaya çıkmaktadır. Hava-hava füzelerinin tasarımları gereği her bir benzetimi sonlanması için üç koşul belirlenmiştir. Bunlardan birincisi füzenin MİHA ile arasındaki mesafenin 40 metrenin altına inmesidir. Bunun anlamı füzenin patlaması ve MİHA'yı vurmasıdır. İkinci benzetim sonlandırma koşulu ise füzenin hızının belli bir limit hızın altına düşmesi ve bunun sonucunda kendini imha etmesidir. Bu çalışmada bu limit hız 200 m/s olarak belirlenmiştir. Üçüncü ve son benzetim sonlandırma koşulu ise füzelerin arayıcı başlıklarındaki sensörlerinin görüş açıları ile ilgilidir. Her ne kadar modern hava-hava füzelerinin görüş açıları önceki nesillere göre gelişmiş olsa da hala bir limiti vardır. Günümüzde bu arayıcı başlıkların görüş açıları yaklaşık olarak 120 derecedir. Dolayısıyla MİHA'nın yaptığı kaçış manevrası ile bu limitin dışına çıkması benzetimi sonlandıracaktır. Ortaya konan tüm denklemler, geliştirilen algoritmaya uygun olarak MATLAB programlama dilinde kodlanmış ve benzetimler, hava muharebesini temsil eden başlangıç koşulları ile çalıştırılmıştır. Algoritma tarafından oluşturulan optimal yörüngeler, ayrıntılı olarak incelenebilmesi için 3 boyutlu olarak görselleştirilmiştir. Kısa, orta ve uzun menzilli angajmanları temsil eden başlangıç koşulları, füze ile MİHA arasındaki mesafe sırasıyla yaklaşık 20, 40 ve 60 km olacak şekilde belirlenmiştir. Farklı angajman senaryoları için füzenin baş açısı, irtifası, MİHA'dan uzaklığı gibi başlangıç koşulları değiştirilerek, algoritmanın her durum için otomatik olarak oluşturduğu yörüngeler incelenmiştir. Bu sayede MİHA'nın farklı koşullarda kaçma manevra performansını görmek mümkündür. Benzetimlerin sonuçları incelendiğinde, kısa menzilli üç angajmanın ikisinde MİHA'nın başarılı bir kaçış manevrası gerçekleştiremediği görülmektedir. MİHA'nın kaçamadığı angajmanlarda füze sırasıyla 10 km ve 13 km irtifaya, MİHA ise 10 km irtifaya yerleştirilmiştir. Füzenin enerjisinin daha yüksek olduğu irtifalarda kısa menzilli atışlarda MİHA'nın icra ettiği kaçış manevrasının yeterli olmadığı ve füze tarafından vurulduğu görülmüştür. Öte yandan füzenin 7 km olarak belirlenen daha alçak bir irtifadan ateşlendiği senaryoda ise füze tırmanırken enerji kaybettiği için MİHA başarılı bir kaçış manevrası icra etmiştir. Kısa menzil angajmanlarına karşın, MİHA tüm orta ve uzun menzilli angajmanlarında füzeyi atlatmak için başarılı kaçınma manevraları icra etmiştir. Bu angajmanların sonuçları, farklı başlangıç koşulları için gerçek muharebe durumlarına uygun adaptif manevraların üretildiği anlamına gelmektedir. Son olarak angajmanların daha gerçekçi olabilmesi için füzenin MİHA tarafından algılanan hız ve pozisyon verilerine sensör gürültüsü eklenmiş ve angajmanlardan bazıları tekrarlanmıştır. Algoritmanın ürettiği yörüngelere gürültü eklenmiş hali ile gürültü olmayan hali için üst üste çizdirilip incelenmiştir. Bu inceleme neticesinde görüşmüştür ki MİHA, füzenin konumunu ve hızı tam olarak bilinmese dahi başarılı kaçış manevraları icra edebilmektedir. Bu tezde gelecekte hava muharebesinin önemli tarafları olacak olan füze ve MİHA arasındaki angajman incelenmiştir. Ancak unutulmamalıdır ki hava-hava füzesi ile MİHA'nın angajmanı, MİHA'nın karşılaşacağı birçok muharebe senaryosundan yalnızca biridir. Bu çalışmayı takip eden çalışmalarda MİHA'nın yapacağı yer bombardımanı, düşman hattı ötesi gözlem, it dalaşı, hava savunma sistemlerinden kaçınma vb. diğer görevleri ve muharebe senaryolarını inceleyen çalışmalar yapılabilir. Bu çalışmalar MİHA'lar için geliştirilecek olan otopilot sistemlerinin temelini oluşturacaklardır. Ayrıca gelecekte yapılacak olan çalışmalarda bu tezde geliştirilen algoritmanın 6-DOF modeller ile birlikte uygulanması ve gerçeğe daha yakın benzetimlerin üretilmesi mümkündür. Bu sayede burada geliştirilen algoritma ve benzerleri MİHA'ların otopilot sistemlerinin bir parçası olarak değerlendirilebilir. Ayrıca insanlı hava araçlarına da uyarlanması ile pilotların hava-hava füzelerinden kaçma manevrasını icra etmeleri için karar destek sistemi olarak da kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

Air combat is a form of combat where survival depends on seconds. The delay in communication of unmanned aerial vehicles (UAVs) with pilots in the ground station is the most important shortcoming in terms of survivability. Near-real-time, high-speed communication methods can be developed to overcome this shortcoming but this requires long-term scientific research and engineering which is costly. The less costly solution to this shortcoming is to develop autonomous operation methods for all possible types of missions that onboard computers will process the information collected by the aircraft's sensors and to take countermeasures against the threats without human input. UAVs that will take a more active role in air combat and contribute to air superiority in the future are named unmanned combat aerial vehicles (UCAVs) and are currently under development around the world. Potential threats to be encountered by UCAVs in air combat can be divided into two groups. They are in-line-of-sight (LOS) threats (air-to-air missiles and guns of the enemy aircraft) at short-range and beyond-line-of-sight (BLOS) threats (air-to-air missiles and air defense systems) at long-range. Within the scope of this thesis, threats of beyond-line-of-sight (BLOS) air-to-air missiles will be addressed for evasive maneuvers. In this study, various combat scenarios are generated and trajectory optimization solutions are obtained to perform autonomous evasive maneuvers for UCAVs against air-to-air missiles without human input. To accomplish this objective, an engagement geometry that includes details of UCAV and missile is introduced. This geometry is constructed by employing factors such as line-of-sight (LOS), velocity vectors, angle of attack, flight path angle, and heading angle, which expresses the relative positions of the missile and the UCAV in 3-dimensional space. UCAV and missile are represented as point-mass models using the given geometry. Along with point-mass models, the commonly used Proportional Navigation (PN) method for missiles guidance is implemented. PN is a guidance method that applies acceleration command perpendicular to the instantaneous Line of Sight (LOS) between the missile and the target, which is proportional to the Line of Sight rate and closing velocity. The relative approaching speed of the missile to the target UCAV is defined as closing velocity. An energy formulation is incorporated into the model to calculate the instantaneous energy consumption of the missile. An optimization algorithm is developed so that the UCAV can automatically command the angle of attack and the bank angle to maximize the instantaneous energy consumption of the missile at every time step using the generated model. Optimal trajectories for different engagement scenarios are automatically generated by the optimization algorithm for variable initial conditions such as the missile's heading angle, altitude, and distance from the UCAV. Thus, it is possible to evaluate the evasive maneuver generation performance of the algorithm in different combat scenarios for short, medium, and long-range engagements. To make the missile-UCAV engagement more realistic, some of the engagements have been repeated by adding noise to the missile's velocity and position data. UCAV has performed successful evasive maneuvers to evade the missile in all of its medium/long-range engagements and one of the short-range engagements. This means that adaptive maneuvers suitable for real combat situations are produced for different initial condition sets.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    670701

    High-speed trajectory replanning and trajectory tracking for collision avoidance

    Çarpışma önlemek için yüksek hızlı rota planlama ve rota takibi

    MEHMET HASANZADE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE KOYUNCU

  2. Tez No

    198799

    Three plane approach for 3D proportional navigation

    Üç boyutlu orantısal seyir için üç düzlem yaklaşımı

    İNANÇ MORAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolDeniz Harp Okulu Komutanlığı

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. TURGAY ALTILAR

  3. Tez No

    595484

    Çarpışma dirençli katlanabilir mikro hava aracı

    Collision resilient foldable micro aerial robot

    LEVENT DİLAVEROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Havacılık Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN

  4. Tez No

    439656

    Development of inertial navigation system with applications to airborne collision avoidance

    Ataletsel seyrüsefer sistemi geliştirilmesi ve hava aracı çarpışma önleme uygulamalarında kullanımı

    MEHMET HASANZADE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ

  5. Tez No

    886884

    Missile evasion maneuver generation with model-free deep reinforcement learning

    Modelden bağımsız derin pekiştirmeli öğrenme ile füzeden kaçınma manevraları

    MUHAMMED MURAT ÖZBEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRE KOYUNCU

Geri Dön