Resource management of networked phased array air defense system radars
Ağ tabanlı faz dizili hava savunma sistem radarlarının kaynak yönetimi
- Tez No: 920953
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Electrical and Electronics Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 173
Özet
Günümüz muharebe sahasında hava hakimiyeti hayati bir rol oynamakta olup, hava tehditlerinin çoğalmasını sağlayan gelişmiş platformların ve ticari teknolojilerin gelişmesiyle birlikte önemi zaman içinde daha da artmıştır. Hava tehditlerinin gelişmesine paralel olarak hava sahasını ve kritik altyapıyı koruyan kara konuşlu hava savunma sistemlerinin önemi de artmaktadır. Hava savunma sistemlerinin performansı, yalnızca önleyicinin performansına veya hedefleri izlemek için kullanılan radarın kapasitesine değil, aynı zamanda bu önleyicinin veya radar kaynaklarının angajman operasyonları sırasında ne kadar verimli kullanıldığına da bağlıdır. Günümüz harekat ortamında tekil sistemlerin performansının arttırılmasının yetersiz kaldığı bir noktaya gelinmiş olup, hava savunma operasyonlarının genel etkinliğinin daha da artırılması için ağ tabanlı hava ve füze savunma sistemleri arasında radar ve önleyici kaynaklarının paylaşılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Modern hava ve füze savunma sistemleri, sensör olarak çok işlevli faz dizili radarları kullanır. Bu radarlar, elektronik yönlendirmenin sağladığı huzme çevikliği sayesinde gözetleme, takip ve atış kontrolü gibi çeşitli sistem fonksiyonlarını aynı anda yerine getirmektedir. Bununla birlikte, her işlev radar kaynaklarını kullanır ve bunların genel görev etkinliğine katma değerlerine göre koordine edilmelerini gerektirir. Her bir radar fonksiyonuna tahsis edilen görevler, her bir radarın genel performansının kritik bir bileşeni olan bir radar kaynak yöneticisi tarafından koordine edilmektedir. Hava savunma etkinliğinin arttırılması maksadıyla ilgi duyulan bir bölgede uzun menzilli radarlara sahip birden fazla hava savunma sistemi kullanıldığında, bu sistemlerin radarlarının kapsama alanı örtüşmekte ve bu örtüşme bölgesindeki tehditler için radar kaynaklarının gereğinden fazla kullanılmasına yol açmaktadır. Bu sistemler, örtüşen alanlardaki radar kaynaklarını birlikte yönetmek için bir ağ oluşturabilir. Oluşturulan bu ağ, yüksek manevra kabiliyetine sahip hedeflerin izlenmesi, kaynakların verimli kullanımı nedeniyle artan ateş gücü sağlanması, artan karşı önlemler ve ortak izleme yoluyla hava savunma sistemlerinin düşük tespit edilebilirliğinin sağlanması gibi çeşitli faydalarla ağ bağlantılı radar kaynak yönetimi kavramına öncülük eder ve böylece hava savunma görevinin etkinliği genel olarak artar. Bu tezde, radar kaynak tahsisi için esas olarak hedef önceliğini kullanan, ağ bağlantılı faz dizili hava savunma sistemi radarları için radar kaynak yönetimi algoritmaları çalışılmıştır. Radar kaynak tahsisinde hedef önceliğinin kullanılmasının temel nedeni, hava savunma sisteminde silah tahsis sürecinin esas olarak hedefin önceliğine dayanmasıdır. Hedef önceliğinin belirlenmesine yönelik çeşitli yöntemler arasında bulanık kural tabanlı sistemler, kuralların eklenmesi veya değiştirilmesi yoluyla uyarlanma kolaylığı ve uzman bilgisini yansıtma yetenekleri nedeniyle öne çıkmaktadır. Tezde ilk olarak, tehdit değerlendirme sistem modelini hava savunma uzmanlarına uygulanan bir anketten öğrenen ve tehdit değerlendirme karar destek sistemini ayarlamak için gerçek zamanlı operatör girdisine olanak tanıyan, genetik bulanık sistemlere dayalı yeni bir uyarlanabilir bulanık kural tabanlı tehdit değerlendirme sistemi önerilmektedir. Bu sistemin gerçek zamanlı yapısı, radar ii kaynak yönetiminin değişen tehdit koşullarına ve görev gereksinimlerine yanıt verecek şekilde anında ayarlanabilmesini sağlar. Önerilen yöntem, hava savunma uzmanlarına uygulanan bir anket ve hava savunma sistemlerinin operasyonu sırasında bulanık kural tabanlı sistemin gerçek zamanlıya yakın ayarlanması yoluyla bulanık mantık kural üretiminin tam otomasyonuna olanak tanır. Önceki çalışmanın yanı sıra, bu çalışma, eğitim sırasında ve bağlama bağlı operasyonel modda bulanık kural tabanlı sistem bileşenlerini otomatikleştirmek için genetik bulanık sistemlerden yararlanmaktadır. Önerilen sistem, ağ tabanlı ve bulanık mantık tabanlı tehdit önceliğine dayalı kaynak yönetim algoritmalarında tehdit önceliğinin zaman içerisinde kendi kendini uyarlamasına ve değişen tehdit ortamına adapte olmasını sağlamasına imkan tanıyacaktır. İkinci olarak, uyarlanabilir bir hedef izleme tekniğine dayanan yeni bir ağ bağlantılı radar kaynak yönetimi algoritması önerilmektedir. Çok işlevli faz dizili radarlar, elektronik yönlendirmenin sağladığı huzme çevikliği yoluyla hedefin uyarlanabilir takip güncelleme hızına olanak tanır. Bu yetenek, hedeflerin uçuşlarının manevra yaptıkları kısmında daha sık ve düz uçuş yolları sırasında daha az sıklıkla takip edilmesine olanak tanır. Ayrıca hedef önceliği, tehditkar yüksek öncelikli hedefleri, uzak veya dost hedefler gibi daha az önceliğe sahip olanlardan daha sık takip etmek için kullanılabilir. Hedef güncelleme görevlerinin ağdaki radar düğümleri arasında paylaşıldığı durumlarda, uyarlanabilir izlemenin ağ bağlantılı radarlara genişletilmesi mümkündür. Hava savunma ağının radar kaynaklarını yönetmek amacıyla hedefleri uyarlanabilir bir şekilde takip etmek için hedef önceliğini ve hedef manevrasını kullanan, ağ bağlantılı bir radar kaynak yönetimi algoritması önerilmiştir. Bu algoritma sonuçları çoklu hedef senaryolarında farklı hedef sayıları için test edilmiş, radar takip limitlerini zorlayan doyum durumlarında ağda bulunan radarlar arasındaki takip ve arama kaynaklarının etkin bir şekilde birbirleri arasında paylaşıldığı simülasyon sonuçları ile gösterilmiştir. Herhangi bir kaynak paylaşımının yapılmadığı durum ile kaynak paylaşımının yapıldığı durum arasındaki farklar iz başlatma süresindeki değişimler ve pencere zamanındaki değişimler üzerinden karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, ağ tabanlı radarlarda hedef önceliğine ve manevraya dayalı uyarlanabilir izlemenin ağda bulunan radarlar arasında etkin kaynak paylaşımını sağladığı, iz başlatma sürelerini ve pencere zamanlarını kısalttığı ve böylelikle hava savunma etkinliğinin arttırılmasına katkı sağladığı görülmüştür. Tezin nihai amacı, ağ bağlantılı hava savunma radarları için optimizasyon tekniklerine dayalı kaynak yönetimi algoritmaları geliştirmektir. Radar kaynak yönetiminde optimizasyon yaklaşımları, gerekli izleme doğruluğunun elde edilmesi, güç tahsisinin en aza indirilmesi, bant genişliğinin sınırlandırılması, optimum bekleme tahsisi gibi optimizasyon hedeflerinin kullanılması açısından farklılık gösterir. Ayrıca iki veya daha fazla hedefin aynı anda bir kombinasyonu kullanılarak yürütülen optimizasyon çalışmaları da yürütülmüştür. Tek bir radarın kaynak tahsisi üzerine yoğunlaşan çalışmalar ve son dönemde radar ağlarına da sıklıkla uygulama alanı bulmuştur. Hava savunma sistemleri, gerekli izleme doğruluğu için performansı garanti edilen önleyicileri kullandığından, bir hava savunma sistemindeki ağ bağlantılı radarlar için izleme doğruluğu birincil optimizasyon parametresi olarak seçilmiştir. Tehdit öncelikleri ve Bayesian Cramér-Rao Alt Sınırı ile ilgili kalite ölçümlerinin izlenmesiyle oluşturulan maliyet fonksiyonunu en aza indirmek amacıyla en az sayıda izleme radarını seçmek için bir optimizasyon stratejisi kullanılır. Hedef izleme kalitesini dinamik olarak seçen ve gerçek zamanlı uygulamaya uygun vekil iii optimizasyon kullanarak hava savunma sistemindeki izleme kaynaklarını en aza indiren önerilen algoritmanın etkinliği, operasyonel doygunluk saldırısı senaryosunda simülasyonlar yapılarak gösterilmiştir. İkinci bir vaka çalışması olarak optimizasyon hedefi, ağ bağlantılı radarların toplam gönderme gücü sınırlamasıyla genişletilmiştir. Bu hedef, özellikle gelişmiş elektronik harp kabiliyetlerine sahip tehditlere karşı hava savunma radarlarının gözlemlenebilirliğinin azaltılması gerektiğinde hayati önem taşımaktadır. Önerilen algoritmanın çıktıları, güç optimizasyonu hedefleri olarak ve olmadan çalışan radarlarla karşılaştırılmış ve atış kontrol hassasiyeti için gerekli izleme doğruluğu gereksinimlerinin mümkün olan en az güç çıkışıyla sağlandığı gösterilmiştir. Özetle, bu tezde ağ bağlantılı faz dizili hava savunma sistemi radarları için yeni radar kaynak yönetimi algoritmaları geliştirilmiştir. Hava savunma ağlarında kullanılabilecek tehdit önceliğine dayalı ağ tabanlı radar kaynak yönetimi algoritmaları önerilmektedir. Uyarlanabilir hedef izleme tekniği sayesinde manevra yapan yüksek öncelikli hedeflerin ağda bulunan radarlar arasında kaynak paylaşımını en iyileyecek şekilde daha sık izlenmesini sağlayan algoritma aynı zamanda hedefin imhası için kullanılacak önleyicinin ihtiyaç duyduğu takip doğruluğunun sağlanmasını da mümkün kılmaktadır. Buna ek olarak, hedef önceliğine dayalı, istenilen takip doğruluğunu sağlayacak şekilde ağda bulunan radarların en etkin şekilde seçilmesine imkan tanıyan ve gerçek zamanlı uygulamalara yönelik kullanım alanı bulunan optimizasyon tabanlı radar kaynak yönetim algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritma hava savunma sistemlerinin beka kabiliyetini artırmak için hedef izleme gereksinimleri ve gönderme gücü sınırlama kısıtlamaları altında radar kaynaklarının hedef önceliğine dayalı optimizasyonuna yönelik geliştirilmiştir. Bu yapılan çalışmalara ek olarak, bu tez kapsamında kendisini operasyonel senaryoya ve gerçek zamanlı operatör girdilerine adapte edecek şekilde genetik bulanık sistemlere dayalı yeni bir uyarlanabilir bulanık kural tabanlı tehdit değerlendirme sistemi de geliştirilmiştir. Bu sistem, ana optimizasyon hedefi olarak tehdit önceliğine dayanan gelişmiş ağ bağlantılı radar kaynak yönetimi algoritmalarının da kullanıldığı ağ tabanlı hava savunma sistemleri içerisinde hedef önceliği kurallarının sisteme otomatik olarak tanıtılması ve zaman içerisinde değişen operasyonel koşullara göre kendi kendisini uyarmalası amacıyla kullanılabilecektir.
Özet (Çeviri)
Air dominance plays a crucial role in today's battlefield, and its importance has increased over time with the development of advanced platforms and commercial technologies that enable the proliferation of air and missile threats. The importance of ground-based air defense systems, which protect air space and critical infrastructure, is also increasing in line with the development of those threats. The performance of air defense systems depends not only on the interceptor's performance or the capacity of the radar used to track targets but also on how efficiently those interceptor or radar resources are utilized during engagement operations. It has come to a point where increasing the performance of individual systems is inadequate, and networking of those air defense systems is needed to further improve the overall effectiveness of air defense operations by sharing radar and interceptor resources between them. Modern air and missile defense systems utilize multifunction phased array radars as their primary sensors. These radars perform various system functions such as surveillance, tracking, and fire control simultaneously with the help of agility provided by the electronic beam steering. However, each function utilizes radar resources, requiring them to be coordinated according to their added value to overall mission effectiveness. The tasks allocated to each radar function are coordinated by a radar resource manager, which is a critical component of the overall performance of each radar. When multiple air defense systems with long-range radars are utilized in a region of interest, the coverage of those systems' radars overlaps, leading to overutilizing radar resources for the targets within this overlap region. These systems can be networked together to manage radar resources collectively. This networking beat a path to the concept of networked radar resource management with several benefits, such as tracking highly maneuverable targets, increased firepower due to efficient usage of resources, increased counter-countermeasures, and low-observability of air defense systems by shared tracking, thus increasing overall air defense mission effectiveness. In this thesis, we propose radar resource management algorithms for networked phased array air defense system radars, which mainly utilize target priority for radar resource allocation. The main reason for using target priority for radar resource allocation is that the weapon allocation process primarily relies on the priority of the target in an air defense system. Among the various methods for determining target priority, fuzzy rule-based systems stand out due to their ease of adaptation by adding or changing rules and their ability to reflect expert knowledge. We first propose a novel adaptive fuzzy rule-based threat evaluation system based on genetic fuzzy systems, which learns the threat evaluation system model from a survey applied to air defense experts, allowing real-time operator input to tune the threat evaluation decision support system. The real-time nature of this system ensures that the radar resource manager to be adjusted on the fly, responding to changing threat conditions and mission requirements. The proposed method allows full automation of fuzzy logic rule generation through a survey applied to air defense experts and near real-time tuning of v the fuzzy rule-based system during air defense system operation. Apart from the previous work, this study utilizes genetic fuzzy systems to automate fuzzy rule-based system components during training and in the context-dependent operational mode. Secondly, we propose a novel networked radar resource management algorithm based on an adaptive target-tracking technique. Multifunction phased array radars allow adaptive update rate of the target via beam agility provided by the electronic steering. This capability enables targets to be tracked more often on the maneuvering portion of their flight and less often during their straight flight paths. Also, target priority can be used to track threatening high-priority targets more frequently than the ones with less priority, such as distant or friendly targets. An extension of adaptive tracking to networked radars is possible where target update tasks are shared between radar nodes in the network. We proposed a networked radar resource management algorithm that utilizes target priority and target maneuver to adaptively track targets to manage radar resources of the air defense network. The results of this algorithm have been tested for different target numbers in multiple target scenarios, and simulation results have shown that the tracking and search resources between the radars in the network are effectively shared among each other in saturation situations that push the radar tracking limits. The differences between the situation in which there was no resource sharing and the situation in which resource sharing was made were compared based on the changes in the track initiation time and the changes in the frame time. As a result, it has been observed that adaptive tracking based on target priority and maneuver in network-based radars provides effective resource sharing between radars in the network and shortens track initiation times and frame times which eventually improves air defense effectiveness. The final objective of the thesis is to develop resource management algorithms for networked air defense radars based on optimization techniques. Optimization approaches in radar resource management vary from using optimization objectives such as achieving required tracking accuracy, minimizing power allocation, limiting bandwidth, optimum dwell allocation, etc. Studies have also been conducted using a combination of two or more objectives simultaneously. Researches focusing on the resource allocation of a single radar have recently found frequent applications to radar networks. Since air defense systems utilize interceptors whose performance is guaranteed for required tracking accuracies, tracking accuracy is selected as the primary optimization parameter for networked radars in an air defense system. An optimization strategy is utilized to choose the minimum number of tracking radars to minimize the cost function formed by tracking quality metrics related to threat priorities and the Bayesian Cramér–Rao Lower Bound. The effectiveness of the proposed algorithm, which dynamically selects target tracking quality and minimizes tracking resources in an ADS by utilizing surrogate optimization suitable for real‐time implementation, has been shown using simulations in an operational saturation attack scenario. As a second case study, the optimization constraints are extended with the total transmit power limitation and of the networked radars under tracking capacity limitation. This objective is crucial, especially when reducing the observability of the air defense radars against threats with advanced electronic warfare capabilities is required. The result of the proposed algorithm is compared with networked radars operating with and without power optimization objectives and shown to provide required tracking accuracy requirements with the least possible power output. vi In summary, this thesis explores novel radar resource management algorithms for networked phased array air defense system radars. We propose various threat priority-based networked radar resource management algorithms that can be utilized in air defense networks. A networked shared adaptive tracking algorithm that utilizes target priority and maneuvers to share radar resources while satisfying the tracking requirements for high-priority targets to be engaged is proposed. Algorithms for target priority-based optimization of radar resources have been developed under target tracking requirements and transmit power limitation constraints to increase the survivability of air defense systems. In addition, a novel adaptive fuzzy rule-based threat evaluation system based on genetic fuzzy systems has also been developed to adapt itself to the operational scenario and real-time operator inputs. This system can be incorporated into developed networked radar resource management algorithms that rely on threat priority as its main optimization objective.
Benzer Tezler
- How cryptographic implementations affect mobile agent systems
Şifreleme gerçekleştirmelerinin gezgin aracı internet sistemlerini nasıl etkilediği
İSMAİL ULUKUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiSistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN ANARIM
- Trijenerasyon sistemlerinin modellenmesine yönelik yeni bir yaklaşım: Bir üniversite uygulaması
A new approach for the modelling of trigeneration system: A university applications
KEZBAN BULUT
Doktora
Türkçe
2016
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLGÜN KAYAKUTLU
- 1980 sonrası üretim ve hizmet etkinlikleri ilişkilerinin tanımlanması mekana yansımaları ve İstanbul bölgesi kapsamında bir değerlendirme
Explaining spatial relations of the manufacturing and service activities: A case study in Istanbul region
GAMZE MERT
Doktora
Türkçe
2003
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALE ÇIRACI
- From rubble to innovation: A framework for rebuilding Deir Ezzor as a smart city characterized by resilience and digital evolution
Enkazdan yeniliğe: Deir Ezzor'u dayanıklılık ve dijital evrimle özellikli akıllı bir şehir olarak yeniden inşa etmek için bir çerçeve
AHMED GATI
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiUygulamalı Bilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANER GÜNEY