Geri Dön

Drone wars 3D: An interactive simulator for drone swarms

Drone savaşları 3D: İnteraktif drone sürüsü simülatörü

PDF İndir

  1. Tez No: 779468
  2. Yazar: GÖKHAN KARADENİZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÖKHAN İNCE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Oyun ve Etkileşim Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Oyun ve Etkileşim Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 70

Özet

Yapay zeka alanındaki gelişmeler muharebe sahasının giderek insansızlaşmasına yol açmakta, bu insansızlaşmanın başını nispeten ucuz ve 3 boyutlu yazıcılarla bile yapılabilecek kadar kolay üretim özellikleriyle İnsansız Hava Araçları (İHA) çekmektedir. Aynı özellikler İHA'ların sürü halinde kullanım fikrinin de gündeme gelmesini sağlamış, bu konuda girişimler hayata geçmeye başlamıştır. İHA sürülerinin bu derece ulaşılabilir olması, sağladığı avantajlardan sadece devletlerin değil terörist örgütlerin de yararlanmaya çalışmasına yol açmaktadır. İHA sürülerinin esnek kullanım alanları ve ucuz maliyetleriyle yarattıkları büyük tahrip gücü, onlara karşı savunmayı da bir o kadar önemli kılmıştır. Ne var ki bu savunma yöntemleri halen tam bilinmemekte ve konvansiyonel silahların İHA sürülerine karşı ne derece etkili olacağı tartışılmaktadır. Avrupa Savunma Ajansı'nın (European Defence Agency) 2020 yılı“Savunma İnovasyon Ödülü”temasını“İHA sürülerine karşı savunmada inovatif çözümler/teknolojiler”olarak belirlemesi, konuya verilen önem kadar bu konuda bilgiye ne kadar acil ihtiyaç duyulduğunu da göstermektedir. Tüketici tipi İHA'lar elektronik karşı koyma tedbirleri ya da mikrodalga silahları gibi araçlarla etkisiz hale getirilebiliyor olsalar da, askeri tip İHA'lar bu tip saldırılara karşı korunaklı olarak üretildiğinden en kesin savunma yöntemi fiziksel tahriptir. Bu çalışma kapsamında, İHA sürülerine karşı savunma sistemlerinin etkinliğini ölçmek, etkili savunma taktik ve formasyonlarının bulunabilmesi sağlamak adına Unity3D oyun motorunda bir simülasyon ortamı geliştirilmiştir. İHA'ların elektronik harp vb. yollarla etkisiz hale getirilemediği, sadece fiziksel tahrip ile yok edilebildiği varsayılmıştır. Her bir aktörün menzili içindeki düşman unsurlarını tam doğrulukla tespit edebildiği, havanın berrak, rüzgarsız ve sürtünmesiz olduğu, patlamalar sonucu oluşan sisin tespit unsurlarını etkilemediği, tüm aktörlerin tamamen imha olmadıkları sürece kusursuz çalışmaya devam ettikleri kabul edilmiştir. Her bir aktör imha edildiğinde olayla ilgili zaman, konum, imha eden ve edilen aktör bilgilerinin bir dosyaya yazılarak sonradan analiz edilebilmesi sağlanmıştır. Görev çeşitleri; bölge ya da nokta hedeflerine taarruz, başka bir aktör tipine taarruz ve düşman İHA sürüsünü imha etmek olarak belirlenmiştir. Sürü yönetimi ya da hedef paylaşımı gibi sürü için iletişim gerektiren algoritmalar kapsam dışı tutulmuş ve sürü içinde olsalar da her İHA'nın bireysel davranış sergilediği bir sistem oluşturulmuştur. Simülasyonda yer alan aktör türleri 1) İHA, 2) İHA sürüsü, 3) makineli tüfek, 4) lazer silahı, 5) uçaksavar topu, 6) hava savunma füzesidir. İHA'ların fiziksel ölçü, taraf (savunma/taarruz), hız, patlama alanı özellikleri kullanıcı tarafından ayarlanabilmektedir. Taarruz eden İHA'lar sadece verilen hedefe ilerlemekte, düşman İHA'larından kaçınmaya çalışmamaktadır. Savunan İHA'lar ise kendilerine en yakın düşman İHA'nına doğru ilerlemekte ve minimum patlama mesafesine ulaştığında kendisini imha ederek patlama alanı içinde kalan dost ya da düşman unsurlarını, o alana ait tahrip olasılığına göre imha etmektedir. İHA sürüleri kullanıcı tarafından belirlenen sayıda aynı tip İHA'ya sahiptir. Kullanıcıya İHA tipi ve sayısını, sürü şeklini (küp, piramid, prizma, kama ve ters kama) ve her bir eksen için İHA'lar arasındaki mesafeyi belirterek hızlıca büyük sürüler oluşturma imkanı sağlanmıştır. Diğer aktörlerin menzil, sonraki hedefe kitlenme için gerekli zaman, atım sıklığı, mermileri hedefte patlıyorsa patlama alanı özellikleri yine kullanıcı tarafından belirlenebilmektedir. Aktör türü ve özelliklerinin çok sayıda olması ile aktörlerin değişik sayı ve konuşlandırmalarla kullanılabilecek olması, oluşturulabilecek senaryo sayısının sonsuza yakınmasına yol açmaktadır. Bu çalışmada, İHA sürülerine karşı savunmada her bir aktörün etkinlik seviyesini ölçme imkanı sağlayacak sonuçları üretecek bazı temel senaryolar test edilmiştir. Testlerde aksi belirtilmedikçe varsayılan olarak 4 m/s hızla, 200 m. uzaklıktaki bölge hedefine doğru hareket eden ve patladığında 1 m. içindeki unsurları %100, 2m. içindeki unsurları %20 ve 4 m. içindeki unsurları %4 ihtimalle imha eden 512 adet İHA'ya sahip küp formasyonunda 5'er metre aralıklı dizilmiş sürüler kullanılmıştır.“Her silah kendisinin doğal düşmanıdır”prensibinden hareketle, ilk testlerde taarruz eden İHA sürülerine karşı savunan İHA sürülerini kullanılmıştır. Varsayılan değerlerle birbirinin aynı iki düşman sürüsü oluşturulup mümkün olan tüm formasyon kombinasyonları test edilerek imha edilen taarruz İHA'yı sayısı ölçülmüştür. Sonuçlara göre İHA sürüleri, düşman İHA sürülerini durdurmada ortalama olarak %90 üzeri başarı sağlamaktadır. Dikkate değer olan bir bulgu ise, her formasyonun en etkili olarak kendi formasyonundaki düşman sürüsüne karşı savunma yaptığı olmuştur. İkiz sürülerin birbirlerine karşı daha etkili olduğu bilgisi, bir düşman İHA süresi tespit edildiğinde, imkan varsa savunan sürüye onun şeklini adırmak gibi bir strateji kullanımını yararlı olacağını göstermektedir. Söz konusu bulgu, İHA'lar arası aralık testleri sonuçlarıyla da desteklemiştir. Aynı sayı ve formasyondaki iki sürü değişik İHA'lar arası aralıklar kullanılarak birbirleriyle çatıştırıldıklarında, en etkili savunma iki sürünün İHA aralıkları eşitken elde edilmiştir. Taarruz eden sürünün İHA aralık değeri daha büyük ise taarruz önemli ölçüde daha başarılı olurken, savunmadaki sürünün İHA'lar arası mesafesi daha büyük olduğunda ilk durum kadar olmasa da savunma başarısının azaldığı gözlenmiştir. Aralıklar eşitken İHA'ların hedef İHA ile eşleşmesinin daha kolay olması ve kat etmeleri gereken yolun en kısa mesafeye inmesi bu durumun sebepleri olarak gösterilebilir. Kat edilen yolun uzunluğu kadar bu yolun ne kadar sürede alındığı da önemlidir ve bu süre hıza bağlıdır. Varsayılan sürüler kullanılarak diğer tüm değişkenler sabitken İHA hızları değiştirilerek yapılan testlerin sonuçlarına göre savunan sürü %60 daha hızlı olduğunda tüm düşman İHA'larını yok edebilmektedir. Taarruz eden sürünün daha hızlı olduğu durumda ise hedefe ulaşabilen İHA sayısı; %25 hız farkında %100, %70 hız farkında ise %200 artmaktadır. Söz konusu sürüler olduğunda sürüdeki eleman sayısının büyük önemi vardır. Varsayılan sürüler İHA miktarları değiştirilerek birbirleriyle çatıştırıldıklarında elde edilen sonuçlara göre savunan sürü %5 daha fazla sayıda olduğunda tüm düşman İHA'larını yok edebilmektedir. Taarruz eden taraf daha fazla sayıda olduğunda ise, fazlalık İHA sayısından biraz daha yüksek bir miktar hedefe ulaşmaktadır. Bu, simülasyon modelimizin büyük çoğunlukla bir İHA'nın bir İHA'yı yok etmesi şeklinde yapılandırılmış olmasıyla açıklanabilir. Hız ve sayı birlikte değiştirildiğinde görülmüştür ki %50 daha hızlı hareket eden bir taarruz sürüsü %40 daha fazla İHA'ya sahip bir sürü tarafından tamamen savunulabilir. Bu sonuç, savunanın teknolojik olarak taarruz edeni yakalayamadığı durumlarda sayı üstünlüğü sağlamaya çalışmasının iyi bir strateji olabileceğine işaret etmektedir. İHA sürülerinin geniş alan savunmasında diğer aktörlere oranla daha esnek ve efektif kullanılabileceği de gözlenmiştir. Makineli tüfek ve lazer silahı test sonuçlarına göre İHA sürülerine karşı pek etkili aktörler değillerdir. Bu silahlar her atımlarının isabetli ve hedefi imha etmeye yeter olduğu varsayıldığı durumda aynı anda en fazla 1 İHA'yı imha edebildiklerinden, her zaman için taarruz eden İHA'nın hedefe ulaştığı sürede nişan alabildikleri İHA sayısı İHA'yı yok edebilmektedirler. Varsayılan değerlerle yapılan testlerde hedefe varış süresi 50 saniye olduğundan bu silahlar saniyede 1 hedefi yok etseler dahi 50'den fazla İHA'ya sahip her sürüdeki fazlalık İHA'lar hedefe ulaşmayı başaracaktır. Modern uçaksavarlar ise mermilerinin hedefte patlama özelliğiyle İHA sürülerine karşı daha etkili olmuşlardır. Hedefte patlayan mermilerin şarapnel sayısı 24, şarapnellerin dağılım menzili 20 m. olarak belirlendiğinde doğrudan vurulan 50 İHA'ya ek olarak 124 İHA'nın şarapnel etkisiyle imha olduğu görülmüştür. 24'ten sonra şarapnel sayısındaki artış çok etkili olmamıştır. Şarapnellerin menzilleri içindeki bir İHA'ya isabet etme olasılıkları şarapnel sayısı ile doğru orantılı iken sürü aralıkları ile ters orantılıdır. Bu nedenle modern uçaksavar silahı dar aralıklı, yoğun sürülere karşı daha etkili olmuştur. Bir İHA sürüsüne noktasal hedef verildiğinde her bir İHA aynı noktaya ulaşmaya çalıştığından aralıkları giderek azalmaktadır. Modern uçaksavar için aynı testler noktasal hedef verilmiş sürülere karşı yapıldığında 20 m. menzil için; şarapnel sayısı 24 iken 138, 32 iken 184 İHA'nın şarapnel etkisiyle imha olduğu gözlenmiştir. Uçaksavar füzeleri de patlama yarıçapları İHA aralıklarından daha büyük olduğunda oldukça etkili savunma sağlamışlardır. Patlama yarıçapı arttıkça füzeler vurulan İHA'ya komşu İHA'ları da imha etmeyi başardığından etkinlik oranı üstel olarak artmaktadır. Yapılan testlerde sürüler varsayılan olarak 5 m. aralığa sahip olduğundan, 18 adet füze sürüye doğru gönderildiğinde, patlama yarıçapı 5 m.'den küçükken sadece 18 İHA imha olurken, 10 m. olduğunda bu sayı 190'a çıkmış ve 17 m. olduğunda 512 İHA'nın tamamı imha edilmiştir. Savunan İHA sürüleri ile modern uçaksavar silahı testlerde en etkili aktörler olarak öne çıktıklarından ve farklı karakteristiklere sahip olduklarından bu iki aktör arasındaki sinerjiyi ölçmek amaçlı testler de yapılmıştır. %25 daha hızlı ve %25 daha fazla İHA'ya sahip bir taarruz sürüsüne karşı 256 İHA'ya sahip bir savunma sürüsüne 2 adet uçaksavar desteği verildiğinde sadece 8 İHA hedefe ulaşabilmiştir. Bu rakam uçaksavarlar olmadığında 102, İHA sürüsü olmadığında ise 108 olarak gerçekleşmiştir. Sonuç olarak; İHA sürülerine karşı“bir atım, bir ölüm”sağlayan konvansiyonel silahlar yerine bir alan içindeki birden fazla hedefi imha edebilen silahların ve karşıt İHA sürülerinin daha etkili olduğu gözlenmiş, bununla birlikte sürülerin değişen özellikleri ve esnek kullanım imkanları göz önünde bulundurulduğunda, olası diğer senaryoların bir simülasyon ortamında önceden denenmesinin savunan taraf için faydalı olacağı sonucuna ulaşılmıştır.

Özet (Çeviri)

The utilization of drone swarms, characterized by their formidable destructive capabilities and broad range of potential applications, has led to the pressing need for effective countermeasures to mitigate their potential threats. Additionally, the relatively low cost of drones has further amplified the need for robust defense strategies. Although consumer-type drones can be neutralized by electronic countermeasures or microwave weapons, military-grade drones are produced to be protected against such attacks, leaving the physical destruction as the best choice. Within the scope of this study, a simulation environment was developed in the Unity3D game engine in order to measure the effectiveness of defense systems against drone swarms and to find effective defense tactics and swarm formations. Unless otherwise stated, swarms with the same default values were used in the tests. The actor types in the simulation were 1) drone, 2) drone swarm, 3) machine gun, 4) laser weapon, 5) anti-aircraft gun, 6) air defense missile launcher. In the tests of defensive drone swarms against offensive drone swarms, two enemy swarms (identical in everything but their formations) were created. Then attack drones destroyed were inspected by applying all possible formation combinations. Results show that, the drone swarms have an average success rate of over 90% in destroying enemy drone swarms. Though, in order to achieve this success rate, the defending swarm must be located on the attacking swarm's target approach path. Another noteworthy finding was that each formation was most effective in defending against the enemy swarm having the same formation of attacking party. A strategy to copycat the offensive swarm's shape when possible seems to be viable given the fact that identical swarms are more effective against each other. This finding was also supported by the results of drone spacing tests. When two swarms of the same number and formation were used against each other with different drone spacing, the most effective defense was obtained when the drone spacing of the two swarms were equal. According to the results of the speed tests, the defending swarm can destroy all enemy drones when it is 60% faster. When the attacking swarm is faster, the number of drones that can reach the target increases by 100% at 25% speed difference and by 200% at 70% speed difference. xix In the test with changes in the drone counts, the defending swarm was able to destroy all enemy drones when it had 5% more drones. When the attacking side has more drones, slightly more drones have reached the target than the difference. This can be explained by the fact that our simulation model is structured as allowing one drone to destroy only one enemy drone in most cases. When changes in speed and drone count are tested at the same time, it's observed that an attacking swarm moving 50% faster can be completely defended by a swarm with 40% more drones. This result shows that when the defender has weaker drones, it may be a good strategy to try to achieve superiority in mass. It has also been observed that drone swarms can be used more flexibly and effectively than other actors in large area defense. According to the test results, machine guns and laser weapons are not effective against drone swarms. Because they can only take out one drone at a time, these weapons can always take out the number of drones they can aim at in the time it takes the attacking drone to get to the target, given that each shot is accurate and potent enough to take out the target. Modern anti-aircraft guns, on the other hand, were more effective against drone swarms due to the ability of their shells to explode on target. When the number of fragments scattered by the projectiles exploding on the target was set at 24, and the range set at 20 meters, 124 drones were destroyed by the fragments in addition to the 50 drones that were directly hit. Anti-aircraft missiles also provided highly effective defense when their blast radius was larger than the swarm's drone spacing. As the blast radius increases, the effectiveness rate increases exponentially as the missiles are able to destroy neighboring drones of the one that directly hit. Since the swarms in the tests have a default spacing of 5 meters, when 18 missiles were launched towards the swarms, only 18 drones were destroyed when the blast radius was less than 5 meters. Destroyed drones increased to 190 when the blast radius was 10 meters, and all 512 drones were destroyed when the blast radius was 17 meters. Since the defending drone swarms and the modern anti-aircraft gun happened to be the most effective actors in the tests, some scenarios to measure their synergy were also applied. When a defensive swarm of 256 drones was supported by 2 anti-aircraft guns against an offensive swarm with 25% faster and 25% more drones, only 8 drones could reach the target. This result was 102 without anti-aircraft guns support and 108 without drone swarms. In conclusion, test results show that counter drone swarms and the weapons that can destroy multiple targets in an area are more effective against drone swarms than conventional weapons that provide“one shot, one kill”. However, considering the flexible use of drone swarms, it would be useful for the defense to test other possible scenarios in a simulation environment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    742150

    Eski Gümüşhane Hızır İlyas mahallesi'nin koruma bağlamında yeni işlev önerileri

    New functional proposals in the context of protection of the old Gumushane Hızır İlyas neighborhood

    KÜBRA NUR SİVRİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    MimarlıkAvrasya Üniversitesi

    Mimarlık ve Yapılı Çevre Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUKADDES ATAMAN

  2. Tez No

    246418

    Tarihi yapıların sonlu elemanlar yöntemiyle analizinin Bursa Ördekli Hamamı örneğinde incelenmesi

    Finite element analyses of historical buildings: case study Bursa Ördekli Bath

    MUHAMMED BİLAL BAĞBANCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. REŞAT ÖZCAN

  3. Tez No

    838584

    Operational effectiveness of UAVs in post-2011 wars

    2011 sonrası savaşlarda İHA'ların operasyonel etkinliği

    CAN YURDAKURBAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Savunma ve Savunma TeknolojileriMilli Savunma Üniversitesi

    Savaş Araştırmaları Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ATAKAN ESEN

  4. Tez No

    549639

    Popüler bir yöntem olarak drone fotoğrafı uygulamaları

    Drone photography and applications as a popular method

    GALİP CEYLANİ OLCAYTO

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Sahne ve Görüntü SanatlarıMimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi

    Fotoğraf Ana Sanat Dalı

    PROF. HALİS OZAN BİLGİSEREN

  5. Tez No

    681078

    Hibrit savaş ortamında askeri operasyonların insansızlaştırılması

    Unmanned military operations in hybrid warfare environment

    SABİRE KÜBRA ŞİMŞEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Savunma ve Savunma TeknolojileriMilli Savunma Üniversitesi

    Savunma Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FAHRİ ERENEL

Geri Dön