Geri Dön

Low observability based on motion planning for aircraft

Uçaklarda hareket planlamasına dayalı düşük görünürlük

PDF İndir

  1. Tez No: 995055
  2. Yazar: MUSTAFA DEMİR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRE KOYUNCU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aeronautical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Modern hava savunma ortamlarında, özellikle ileri düzey radar tehditleri altında, düşük görünürlük (stealth) uçakların hayatta kalma ve görev başarısı için kritik bir özellik haline gelmiştir. Geleneksel stealth teknolojileri, özel gövde şekillendirme ve radar soğurucu malzemeler ile uçağın radar kesit alanını (RKA) azaltmaya dayanır. Ancak bu tür gizlilik özellikleri, mevcut birçok muharip ve nakliye uçağında bulunmamaktadır. Bu tez, non-stealth (gizlilik özelliği olmayan) uçakların kapsamlı fiziksel modifikasyonlar (örneğin özel kaplama veya gövde tasarımı) olmaksızın da akıllı hareket planlama ve kontrol teknikleri ile düşük görünürlüğe ulaşabileceğini göstermeyi amaçlamaktadır. Bu amaç doğrultusunda düşük radar görünürlüğü, sabit bir tasarım niteliği yerine dinamik bir uçuş kontrol hedefi olarak ele alınmaktadır. Temel araştırma problemi; mevcut bir uçağın yapısında değişiklik yapmadan, kritik görev safhalarında düşman radarlarına yakalanma olasılığını en aza indirgeyecek manevraları, uçuş emniyetinden ödün vermeden nasıl gerçekleştirebileceğidir. Bu kapsamda tez, uçağın tutumunun, rotasının ve formasyon içindeki konumunun gerçek zamanlı ayarlanmasıyla radar tarafından fark edilme olasılığını düşürme üzerine odaklanmaktadır. Böylece konvansiyonel bir uçak, uygun anlık manevralarla geçici olarak düşük görünürlüklü bir platforma dönüştürülebilir. Tez kapsamında geliştirilen yaklaşım, güvenlik güdümlü kontrol ve hareket planlaması tekniklerini entegre eden çok katmanlı bir mimariye dayanmaktadır. Bu mimari üç ana katmandan oluşmaktadır: RKA Modelleme Katmanı: Temsili bir savaş uçağı (ör. F-16) için radar kesit alanı (RKA) veritabanı oluşturulmuştur. Bu veritabanı, uçağın gövde geometrisinin radara göre azimut-yükseliş açıları ve belirli kontrol yüzeyi sapmaları ile RKA arasındaki ilişkiyi içerir. Böylece uçağın yalnızca oryantasyonu değil, aynı zamanda elevon, dümen gibi kontrol yüzeylerinin küçük açısal değişimleriyle RKA'nın nasıl etkilendiği modellenmiştir. Bu ayrıntılı modelleme, gerçek uçuşta meydana gelen küçük konfigürasyon değişikliklerinin anlık görünürlük üzerindeki etkisini öngörmek için kritiktir ve geliştirdiğimiz sistemin gerçek zamanlı anlık görünürlük değerlendirmesine sağlam bir temel oluşturur. Kılavuzluk-Kontrol Mimarisi: Uçağın uçuş kontrolüne entegre edilen Kontrol Bariyer Fonksiyonları (Control Barrier Functions, CBF) tabanlı bir kontrol katmanı gerçek zamanlı olarak güvenlik ve görünürlük kısıtlarını uygular. Bu mimaride geliştirilen CBF tabanlı otonom pilot, uçağın RKA değerini belirlenmiş bir eşiğin altında tutmak için uçağın tutumunu (örneğin rulman, yunuslama ve sapma açıları) sürekli ayarlar. CBF katmanı, uçuş zarfı sınırları ve RKA eşiği gibi asla ihlal edilmemesi gereken kısıtları aktif olarak denetler. Başka bir deyişle sistem, tehlikeli veya uçağın radar görünürlüğünü artıracak bir komut algıladığında bunu otomatik olarak engeller ve bunun yerine güvenli, alternatif bir komuta yönelir. Bu yaklaşım, klasik otomatik pilota üstten takılan bir emniyet ve düşük görünürlük valfi gibi düşünülebilir; gerçek zamanlı optimizasyon ile çalışarak uçuş performansını en az etkileyecek düzeltmeleri seçer ve böylece görev başarımı ile emniyet arasında pragmatik bir denge kurar. Geliştirilen yöntem, radar tarafından tespit edilme riski belirdiğinde pilot komutlarını asgari müdahale ilkesi ile yeniden şekillendirip uçağın RKA'sını eşik altında tutacak şekilde bir önleyici katman olarak davranmaktadır. Bu formülasyon, radar nüfuzu (penetrasyon) veya radar sakınma manevralarını, nominal bir uçuş rotası etrafında gerçek zamanlı ayarlamalar yapan bir kısıtlı optimizasyon problemi şeklinde ele almaktadır. Sonuçta, geliştirilen algoritma, yüksek çözünürlüklü 6-DOF uçuş dinamik modeli üzerinde dahi fiziksel olarak uygulanabilir manevralar üretmekte ve gerektiğinde sıfır seviyesinde açısal komutlar vererek RKA eşiği ihlalini önlemektedir. \item Senaryo Tabanlı Doğrulama ve İşbirlikçi Görev Paylaşımı: Önerilen yöntem, kapsamlı simülasyon senaryolarında test edilip doğrulanmıştır. Sabit ve hareketli radar tehditlerini içeren senaryolar tanımlanmış; farklı irtifa, hız ve baş açıları ile çeşitli başlangıç koşulları altında sistemin performansı incelenmiştir. Geniş kapsamlı Monte Carlo benzetimleri, yöntemimizin farklı şartlar altında tutarlılığını değerlendirmek için yürütülmüştür. Ayrıca duyarlılık analizleri ile RKA haritalarında belirsizlikler veya CBF tasarım parametrelerindeki değişimlerin sisteme etkisi incelenmiştir. Tez, tek uçak üzerinde gösterilen bu düşük görünürlük yeteneğini işbirlikçi çok-uçak senaryosuna da ölçeklendirmiştir. Bu amaçla bir manned-unmanned teaming (insanlı-insansız takım) çerçevesinde RCS gölgeleme adı verilen yeni bir formasyon konsepti geliştirilmiştir. RCS gölgeleme yaklaşımında, düşük görünürlük kabiliyetine sahip insansız bir kanat adamı (örneğin stealth özellikli bir İHA), tehdit radarı ile lider uçak arasına girerek lider non-stealth uçağın radar izini kendi gövdesiyle gölgeleyecek şekilde konumlanır. Bu yöntem, basitleştirilmiş bir geometrik gölge modellemesi, lider ve kanat adamı arasındaki göreceli hareket için dinamik referans konumlar üretimi ve bu referansları öncelikle güvenlik (uçuş zarfı, çarpışma önleme vb.) gözeterek takip eden bir katmanlı kontrolcü bileşenlerini içerir. Lyapunov tabanlı bir formasyon kontrolüyle her iki uçak senkronize edilerek, kanat adamına radar açısından sürekli gölge pozisyonu takip ettirilir ve aynı anda lider uçağa da bu gölge bölgesinde kalacak şekilde rotasını ayarlaması için komutlar verilir. Böylece, formasyon uçuşu esnasında lider uçağın radar tarafından görülme olasılığı en aza indirilir. Bu işbirlikçi görev paylaşımı stratejisi sayesinde, insanlı lider uçak kendi yapısında bir değişiklik yapmaksızın, insansız araç desteğiyle geçici stealth avantajı elde etmektedir. Önerilen yaklaşım, ayrıntılı benzetimlerle test edilmiş ve düşük görünürlük açısından belirgin iyileşmeler gözlemlenmiştir. Tek uçaklı senaryolarda, Monte Carlo deneyleri geniş bir başlangıç koşulu yelpazesinde gerçekleştirilmiştir. CBF tabanlı stealth pilotu etkin olan uçuşlarda, uçağın ortalama radar izi (RKA) belirgin şekilde azalmakla kalmamış, daha önemlisi bu izin uzun süreler boyunca kritik eşik değerin altında tutulabildiği görülmüştür. Nitekim, 1000'in üzerinde farklı koşulda yapılan simülasyonlarda, önerilen yöntem $\%89,6$ oranında ortalama RKA değerini 0 dBsm eşik altında tutmayı başarırken, standart (kısıtlanmamış) uçuşlarda bu oran yalnızca $\%1,26$ olarak gerçekleşmiştir. Benzer şekilde, her bir simülasyon süresinin ortalama $\%78$'inde uçağın RKA değeri eşik altında kalmayı başarmış; oysa geleneksel kontrol ile bu süre sadece $\%20$ civarında kalmıştır. Bu sonuçlar, geliştirilen yöntemin sürekli ve tutarlı düşük görünürlük sağlayabildiğine işaret etmektedir. Başka bir deyişle, yöntemimiz sayesinde uçağın radar tarafından fark edilmediği süre, geleneksel duruma kıyasla çok daha yüksek bir orana ulaşmaktadır. Bu durum, sadece kısa süreli şanslı düşük RKA anlarına bel bağlayan yaklaşımların aksine, radar kapsaması altındaki uçuş süresinin büyük bölümünde anlamlı bir gizlilik seviyesinin korunabileceğini ortaya koymaktadır. Ayrıca yapılan duyarlılık analizleri, RKA haritasındaki belirsizliklerin veya bariyer fonksiyonu parametrelerindeki değişimlerin sistem davranışını ciddi bir kararsızlığa yol açmadan etkilediğini göstermiş; kısıtların daha katı seçilmesinin iz takibi agresifliğini artırdığı ancak performansın zarif biçimde azaldığı tespit edilmiştir. Bu da önerilen kontrol mimarisinin farklı senaryolara karşı robust (sağlam) bir yapıda olduğunu doğrulamaktadır. Hareketli radar senaryolarında da benzer biçimde, dinamik tehditlere uyarlanabilirlik önemli bir bulgu olmuştur. Geliştirilen CBF tabanlı strateji, konum değiştiren (örn. mobil bir AWACS uçağı gibi) radar tehdidine karşı anlık manevralarla yanıt vererek uçağın RKA'sını eşik altında tutmayı sürdürmüştür. Örneğin bir simülasyonda, klasik (kısıtsız) uçuş rotası izlendiğinde F-16'nın RKA değeri 25 dBsm'ye kadar çıkmış ve rahatlıkla tespit edilebilir seviyelere ulaşmıştır. Buna karşılık, önerilen CBF güdümlü stealth kontrolörü aktifken aynı senaryoda uçağın RKA'sı tüm uçuş boyunca ~0 dBsm civarında kalmıştır. Bu dramatik fark, hareketli tehditler karşısında dahi geliştirilen yöntemin uçağı neredeyse görünmez kılabildiğini kanıtlamaktadır. Dolayısıyla, tezde sunulan gerçek zamanlı uyarlanabilir kılavuzluk sistemi, sabit rotaya dayalı geleneksel planlamalara kıyasla modern harp sahasındaki mobil radar tehditlerine karşı önemli bir avantaj sağlamaktadır. İşbirlikçi RCS gölgeleme konseptinin test edildiği formasyon senaryolarında da çarpıcı sonuçlar elde edilmiştir. Sabit bir radar karşısında olduğu gibi, hareketli radar durumunda da insansız kanat adamı, lider uçağın radar görünürlüğünü anlamlı derecede azaltmayı başarmıştır. Simülasyonlar göstermiştir ki kritik radar nüfuzu manevraları sırasında lider uçak, kanat adamının gölgesinde kalarak tespit edilmekten kaçınabilmiştir. Formasyon takip hataları kabul edilebilir düzeylerde tutulmuş ve tüm formasyon, üst düzey görev rotasını bozmadan hedefine ilerleyebilmiştir. Bu bulgular, görev paylaşımı ve geometrik konumlanma yoluyla düşük görünürlüğün bir kuvvet çarpanı olarak kullanılabileceğini doğrulamaktadır. Başka bir deyişle, tek bir uçağın yapısal bir değişiklik yapmadan, insansız bir refakatçi sayesinde sahip olamayacağı bir gizlilik avantajını elde edebileceği gösterilmiştir. Bu orijinal formasyon tabanlı strateji, literatürdeki insanlı-insansız ekip çalışmalarını yeni bir boyuta taşımış; görev dağılımı veya yem uçağı taktiklerine ek olarak fiziksel radar izini perdeleme yoluyla işbirlikçi stealth taktikleri geliştirilmesini sağlamıştır. Bu tez çalışması, düşük görünürlüğü yazılım ve kontrol algoritmalarıyla gerçek zamanlı yönetilebilen bir uçuş yeteneği haline dönüştürmüştür. Elde edilen sonuçlar, non-stealth platformların dahi görev kritik safhalarda tespit edilebilirliğinin anlamlı ölçüde azaltılabileceğini ve bunun uçuş emniyetinden ödün vermeden başarılabileceğini göstermektedir. Özellikle, geliştirilen CBF tabanlı düşük görünürlük kontrol sistemi sayesinde konvansiyonel bir muharip uçak, aktif manevralarla radar görünürlüğünü minimize edebilen yeni bir otonom yetenek kazanmıştır. Ayrıca, tez kapsamında ortaya konan RKA gölgeleme yaklaşımı ile işbirliğine dayalı formasyon stratejilerinin önemli kazanımlar sağladığı kanıtlanmıştır. Özetle, bu tezde sunulan özgün katkılar arasında, gerçekçi bir 6-DoF uçak modeli üzerinde CBF tabanlı stealth otopilotunun geliştirilmesi, bu yaklaşımın hareketli radar tehditlerine uyarlanması ve insansız kanat adamı ile RKA gölgeleme formasyon konseptinin tanıtılması sayılabilir. Bütün bu yöntemler, kapsamlı simülasyonlarla doğrulanmış ve uçakların radar tarafından tespit edilme olasılığını belirgin biçimde düşürdüğü ortaya konmuştur. Çalışma, pratik uygulamaya yönelik açık bir yol haritası da sunmaktadır: radar maruziyetini çevrimiçi değerlendiren bir modelleme katmanı, kararlılık ve güvenliği birlikte sağlayan bariyer tabanlı bir denetim sistemi ve tek uçaktan formasyona ölçeklenebilen, göreve uyarlanabilir kılavuzluk stratejileri bir arada önerilmiştir. Bu bütünleşik yapının, mevcut platformlara bir yazılım güncellemesi şeklinde entegre edilebilecek bir düşük görünürlük yetenek paketi olarak çalışabileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak, tez bulguları modern ağ-merkezli hava savunma tehditlerine karşı hava araçlarının hayatta kalma olasılığını ve görev başarısını artıracak yeni bir paradigma ortaya koymakta; fiziksel değişiklik gerektirmeksizin, yazılım tanımlı bir üstünlük sağlama potansiyelini açığa çıkarmaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis investigates how non-stealth aircraft can achieve low observability against modern radar systems through advanced motion planning and safety-critical control, rather than through costly airframe redesigns or coatings. The work treats stealth as a dynamic control objective: by continuously shaping attitude, trajectory, and formation geometry, an aircraft can present low-signature aspects to hostile sensors while remaining within certified flight-safety limits. The research unifies three pillars: (i) an aircraft and radar-exposure modeling layer, including a database that maps azimuth/elevation and key control-surface deflections to radar cross-section for a representative fighter; (ii) a control architecture with Control Barrier Functions that enforce safety constraints (an explicit bound on radar cross-section); and (iii) scenario-driven simulations that cover static and mobile radar threats, extended Monte Carlo trials, sensitivity studies, and a cooperative RCS shadowing concept for manned–unmanned teams. In single-aircraft scenarios, the thesis formulates radar-penetration and radar-evasive maneuvers as constrained problems where the virtual or nominal path is adapted online by a barrier-based stealth pilot. When impending exposure is predicted, the controller reshapes bank, pitch, and yaw commands to keep radar cross-section below a threshold. Monte Carlo simulations across varying initial conditions and threat locations show consistent reductions in mean signature and, crucially, long sustained periods below the threshold, indicating robust, continuous stealth rather than isolated dips. Sensitivity analyses further probe performance under perturbed radar-cross-section maps and parameter changes in the barrier design, illustrating graceful degradation and transparent tuning trade-offs between strict constraint enforcement and tracking aggressiveness. The cooperative chapter extends the framework to formation flight: a stealthy unmanned wingman is positioned to cast a geometric shadow that masks a non-stealth leader toward the threat radar. The method includes simplified shadow modeling, reference generation for relative motion, and a layered controller that maintains formation while prioritizing coverage of the leader. Simulations against both fixed and mobile sensors demonstrate practical feasibility: the wingman can hold the leader inside the shadow footprint with bounded formation errors while the overall formation follows mission-level references. Collectively, the thesis contributes a safety-assured, implementable architecture that converts low observability from a static design property into a real-time, software-defined capability. It shows that non-stealth aircraft can materially improve survivability through adaptive motion planning, barrier-based constraint enforcement, and cooperative geometries.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    972067

    Domain adaptive visual inertial global localization in GNSS-denied environments

    GNSS olmayan ortamlarda görüntü uyarlamalı görsel-ataletsal küresel konum belirleme

    ABDÜLBAKİ ŞANLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRE KOYUNCU

  2. Tez No

    46362

    İnsansız hava aracı için bir borda bilgisayarının mimarisi ve tasarımı

    Başlık çevirisi yok

    SAİT N. YURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Y.DOÇ.DR. T. BERAT KARYOT

  3. Tez No

    543176

    Risk-aware model based control and applications on whey separation processes

    Başlık çevirisi yok

    MUHAMMED BAHADIR SALTIK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTechnısche Unıversıteıt Eındhoven

    Yrd. DOÇ. Dr. LEYLA ÖZKAN

  4. Tez No

    989397

    İnsansız hava araçları ile RSSI temelli derin pekiştirmeli öğrenme yöntemi ile kablosuz sinyal kaynağı lokasyonunun belirlenmesi

    Localization of wireless signal sources using RSSI-based deep reinforcement learning on unmanned aerial vehicles

    EŞREF ŞAMİL ZAMANOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Savunma ve Savunma TeknolojileriSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ FURKAN KAMANLI

  5. Tez No

    782645

    Infrared low observable material design, synthesis and characterization

    Kızılötesi düşük gözlenebilir malzeme tasarım, sentez ve karakterizasyonu

    AHMET KESKİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN

    PROF. DR. ALPAN BEK

Geri Dön