Geri Dön

A statistical framework for false-fix elimination in tercom using real flight test data

Gerçek uçuş test verilerini kullanarak tercom'da yanlış konum kestirimlerinin istatistiksel bir çerçeve ile elenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 997838
  2. Yazar: İBRAHİM ENES USLU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Defense and Defense Technologies, Electrical and Electronics 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: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Arazi Referanslı Navigasyon (Terrain-Referenced Navigation, TRN), Küresel Konumlama Sistemi (Global Navigation Satellite System, GNSS) sinyallerinin karartıldığı, bozunduğu veya güvenilirliğinin azaldığı ortamlarda hava araçları için kritik bir alternatif navigasyon çözümü sunmaktadır. Özellikle askeri ve güvenlik odaklı görevlerde, GNSS'in kasıtlı karıştırma (jamming) ve aldatma (spoofing) tehditlerine açık olması, GNSS'e bağımlı sistemlerin tek başına yeterli olmasını engellemektedir. Bu nedenle, GNSS'ten bağımsız veya GNSS destekli ancak ona alternatif oluşturabilecek yöntemlerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. TRN yöntemleri arasında Arazi Kontur Eşleştirme (Terrain Contour Matching, TERCOM), radar altimetre ölçümlerinin sayısal arazi yükseklik verileri (Digital Terrain Elevation Data, DTED) ile karşılaştırılmasına dayanan, hesaplama yükü görece düşük ve uzun yıllardır operasyonel olarak kullanılan bir yöntemdir. TERCOM algoritması, ölçülen yükseklik profillerini çevredeki olası konumlar üzerinde kaydırarak bir benzerlik haritası (skor haritası) üretir ve bu haritanın minimum noktasını en olası konum kestirimi olarak seçer. Bu yaklaşım, basitliği ve gerçek zamanlı uygulanabilirliği sayesinde pek çok hava ve deniz platformunda tercih edilmektedir. Bununla birlikte, TERCOM algoritmasının en önemli zayıflıklarından biri, yanlış arazi eşleşmelerine dayalı olarak üretilen hatalı konum çözümleri, yani false-fix durumlarıdır. Özellikle düz veya düşük engebeli arazilerde, benzer yükseklik profillerinin birden fazla konumda ortaya çıkması, skor haritasında birden fazla güçlü minimum oluşmasına neden olabilmektedir. Bu durumda algoritma, gerçek konumdan çok uzak bir noktayı en iyi eşleşme olarak seçebilmektedir. False-fix hataları, entegre navigasyon sistemlerinde zincirleme etkilere yol açarak filtrelerin kararsızlaşmasına, durumsal farkındalığın azalmasına ve nihayetinde uçuş güvenliğinin ciddi şekilde tehlikeye girmesine neden olabilmektedir. Literatürde, false-fix problemini azaltmaya yönelik çeşitli yaklaşımlar önerilmiştir. Bu yaklaşımlar genellikle benzerlik ölçütlerinin değiştirilmesi, adaptif pencereleme, filtre tabanlı yöntemler (EKF, UKF, parçacık filtreleri) veya yapay zekâ tabanlı modellerin kullanılması şeklinde sınıflandırılabilir. Ancak bu yöntemlerin büyük bir kısmı ya yüksek hesaplama maliyeti gerektirmekte ya da TERCOM'un temel çıktısının zaten güvenilir olduğu varsayımına dayanmaktadır. Oysa pratikte, filtrelerin güvensiz hale geldiği durumlarda başvurulan TERCOM çıktısının kendisi yanlış olduğunda, sistemin tamamı hatalı bir duruma sürüklenebilmektedir. Bu tez çalışmasında, TERCOM algoritmasının temel eşleştirme mantığı değiştirilmeden, false-fix çözümlerinin tespit edilmesi ve elenmesine yönelik istatistik tabanlı bir güvenilirlik çerçevesi önerilmektedir. Önerilen yaklaşım, yeni bir benzerlik metriği geliştirmekten veya ağır filtreleme yapıları eklemekten ziyade, TERCOM tarafından üretilen skor haritasının yapısal özelliklerinin analiz edilmesine odaklanmaktadır. Temel fikir, doğru bir konum çözümünün skor haritasında genellikle daha belirgin ve ayrışmış bir minimum ile temsil edildiği, yanlış çözümlerin ise birbirine yakın veya belirsiz minimumlar ürettiği varsayımına dayanmaktadır. Çalışma kapsamında, Hürjet ileri seviye jet eğitim uçağından elde edilen gerçek Uçuş Test Enstrümantasyonu (Flight Test Instrumentation, FTI) verileri kullanılarak sentetik uçuş senaryoları oluşturulmuştur. Bu sentetik senaryolar, gerçekçi uçuş dinamiklerini korurken, kontrollü ve tekrarlanabilir istatistiksel analizlerin yapılmasına olanak tanımaktadır. Toplamda 780 farklı sentetik uçuş trajesi üzerinde altı farklı benzerlik metriği incelenmiştir: Ortalama Mutlak Fark (Mean Absolute Difference, MAD), Ortalama Kare Fark (Mean Squared Difference, MSD), Normalize Çapraz Korelasyon (NCC), Dinamik Zaman Bükme (Dynamic Time Warping, DTW), Karşılıklı Bilgi (Mutual Information, MI) ve pürüzlülük tabanlı karşılaştırma yöntemleri. Yapılan kapsamlı deneysel analizler sonucunda, MAD ve DTW yöntemlerinin diğer metriklere kıyasla daha kararlı ve daha düşük hatalı sonuçlar ürettiği gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, bu iki yöntemin her senaryoda aynı performansı göstermediği, bazı durumlarda birinin doğru konumu bulurken diğerinin false-fix üretebildiği tespit edilmiştir. Bu gözlem, farklı metriklerin arazi–ölçüm uyumunun farklı yönlerini yakaladığını ve birlikte kullanılmalarının potansiyel fayda sağlayabileceğini göstermektedir. TERCOM çıktılarının güvenilirliğini değerlendirmek amacıyla, üç farklı kaynaktan toplam kırk beş aday özellik çıkarılmıştır: uçuş trajesine dayalı özellikler, sayısal arazi haritasına dayalı özellikler ve skor haritasına dayalı özellikler. Bu özellikler üzerinde korelasyon analizi, karşılıklı bilgi (mutual information), alıcı işletim karakteristiği (ROC) analizi ve minimum fazlalık–maksimum alaka (mRMR) yöntemlerini içeren çok aşamalı bir eleme süreci uygulanmıştır. Bu süreç sonucunda, skor haritasındaki en güçlü iki komşu olmayan minimum arasındaki ayrımı ölçen minima oranı (minima ratio) en güvenilir gösterge olarak belirlenmiştir. Buna ek olarak, uçuş trajesinin pürüzlülüğü (roughness) ve pürüzlülük farkı (roughness difference) da false-fix tespitinde önemli destekleyici göstergeler olarak öne çıkmıştır. Belirlenen bu göstergeler kullanılarak, minima oranına dayalı bir metrik birleştirme ve eleme stratejisi geliştirilmiştir. Bu strateji kapsamında, MAD ve DTW skor haritaları karşılaştırılmakta ve daha belirgin minimum üreten metrik, o pencere için tercih edilmektedir. Ardından, minima oranı ve pürüzlülük tabanlı eşik testleri uygulanarak güvenilir olmayan çözümler abstain olarak işaretlenmekte ve navigasyon güncellemesine dahil edilmemektedir. Deneysel sonuçlar, önerilen yaklaşımın false-fix oranını \%44'ten fazla azalttığını ve genel navigasyon doğruluğunu koruduğunu göstermektedir. Bu tez çalışmasında önerilen yaklaşımın önemli bir avantajı, mevcut ataletsel seyrüsefer sistemleri ve hata-durumlu filtre mimarileri ile doğrudan uyumlu olmasıdır. Modern hava araçlarında yaygın olarak kullanılan hata-durumlu Kalman filtreleri, küçük ve kademeli düzeltmeler için tasarlanmıştır; ancak konum hatasının zamanla büyüdüğü ve kovaryansın aşırı arttığı durumlarda, filtre düzeltmelerinin etkisiz kaldığı bilinmektedir. Bu tür senaryolarda, TERCOM tabanlı mutlak konum kestirimleri filtre için kritik bir harici ölçüm kaynağı olarak kullanılmaktadır. Ancak TERCOM çıktısının güvenilir olmadığı bir durumda, bu ölçümün filtreye enjekte edilmesi, filtre ıraksamasına ve sistem kararsızlığına yol açabilmektedir. Bu bağlamda, tezde geliştirilen false-fix eleme çerçevesi, TERCOM'un filtreye sağladığı konum bilgisinin güvenilirliğini artırarak, entegre navigasyon mimarisinin genel kararlılığına doğrudan katkı sağlamaktadır. Önerilen yöntemin bir diğer önemli özelliği, operasyonel uygulanabilirliğinin yüksek olmasıdır. Çalışmada kullanılan güvenilirlik göstergeleri, halihazırda TERCOM algoritması tarafından üretilen skor haritası ve radar altimetre ölçümleri üzerinden elde edilmekte olup, ek sensör veya yüksek hesaplama gücü gerektirmemektedir. Bu durum, yöntemin gerçek zamanlı sistemlerde, gömülü aviyonik donanımlar üzerinde uygulanmasını mümkün kılmaktadır. Ayrıca, önerilen eleme stratejisi deterministik bir yapıya sahip olduğundan, sertifikasyon süreçleri açısından da avantaj sunmaktadır. Bu özellikler, çalışmanın yalnızca akademik değil, aynı zamanda pratik ve operasyonel açıdan da değerli bir katkı sunduğunu göstermektedir. Tez kapsamında elde edilen sonuçlar, TERCOM tabanlı sistemlerin GNSS'in güvenilir olmadığı ortamlarda daha emniyetli ve tutarlı bir şekilde çalışmasına yönelik somut bir çözüm ortaya koymaktadır. Gerçek uçuş test verileriyle yapılan doğrulama çalışmaları, yöntemin pratik uygulanabilirliğini ve operasyonel etkinliğini ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, düşük hesaplama maliyetli istatistiksel güvenilirlik analizlerinin TERCOM tabanlı navigasyon sistemlerinin dayanıklılığını anlamlı ölçüde artırabileceğini göstermektedir. Önerilen çerçeve, GNSS'in güvenilir olmadığı ortamlarda çalışan hava araçları için pratik ve etkili bir güvenlik katmanı sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Terrain-Referenced Navigation (TRN) has been considered as a feasible alternative navigation method for aircraft operating in Global Navigation Satellite System (GNSS) denied environments. Terrain contour matching (TERCOM), a method based on the correlation between measured elevation profiles and stored digital terrain elevation data (DTED), is one of the most traditional TRN techniques. Despite its operational simplicity and proven applicability, TERCOM is inevitably susceptible to false-fix errors, where an incorrect terrain match is selected as the navigation solution. When these errors are transmitted to navigation systems, serious errors occur in situational awareness systems, and flight reliability decreases. This thesis presents a statistical framework for identifying and eliminating errors that may be encountered in TERCOM. To do this, the core working logic of TERCOM is not altered; instead, a classification is performed using features generated during matching. First, a set of information-carrying features is identified, and then the candidate navigation solution is classified according to its relationship with this information. This method ensures that if a candidate navigation solution is considered unreliable, it is not transmitted to the navigation system. This study is based on synthetic data generated from real Flight Test Instrumentation (FTI) recordings of the Hürjet, an advanced jet training aircraft. These recordings allow for the production of repeatable data while preserving realistic dynamics. A total of 780 different trajectories were generated. For each trajectory, six different metrics were examined: mean absolute difference (MAD), mean squared difference (MSD), normalized cross-correlation (NCC), dynamic time warping (DTW), mutual information (MI), and roughness-oriented comparison. The tests revealed that MAD and DTW have complementary characteristics. To assess the reliability of the TERCOM solution, a total of forty-five candidate features were first extracted in three different contexts: trajectory-based, terrain map-based, and score map-based. These contexts respectively encompassed the characteristics of the altitude measurement sequence, the characteristics of the terrain map, and the characteristics of the values generated during matching. Then, feature elimination was performed using correlation analysis, mutual information ranking, receiver operating characteristic evaluation, and minimum redundancy–maximum relevance criteria methods. As a result of the elimination process, the minima-ratio, the ratio of the two lowest scores in the score map, emerged as the most distinctive feature. Roughness and roughness difference features were also added as auxiliary features. A confidence-based elimination strategy was developed based on these indicators. The framework chooses between MAD and DTW position solutions according to their minima ratios. Then, utilizes threshold-based decisions to mitigate unreliable fixes. The experimental results indicate that the proposed framework maintains overall navigation accuracy while achieving a reduction in false-fix occurrences by 44\%. The validation with actual flight test data provides the practical evidence of the approach. This thesis illustrates that a statistical reliability assessment can significantly improve the robustness of TERCOM while causing minimal computational costs. The proposed framework offers a practical safeguard for TRN systems, enhancing operational safety in GNSS-denied environments.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1016736

    An advanced context-aware method for detecting user interest drift: Methodology, statistical analysis, and empirical evaluation

    Kullanıcı ilgi kaymasını tespit etmek için gelişmiş bağlam bilinçli bir yöntem: Metodoloji, istatistiksel analiz ve ampirik değerlendirme

    ELİF SELEN BABÜROĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPTEKİN DURMUŞOĞLU

    PROF. DR. TÜRKAY DERELİ

  2. Tez No

    959126

    Data-driven anomaly detection for airspace security using ADS-B surveillance data

    ADS-B gözetim verisi ile hava sahası güvenliği için veri tabanlı anomali tespiti

    ABDULLAH ÇERKEZOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. BARIŞ BAŞPINAR

  3. Tez No

    759088

    Online anomaly detection in the Neyman-Pearson hypothesis testing framework

    Neyman-Pearson hipotez testi çerçevesinde çevrimiçi anomali tespiti

    BAŞARBATU CAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ÖZKAN

  4. Tez No

    309206

    Optimal stochastic approaches for signal detection and estimation under inequality constraints

    Eşitsizlik kısıtları altında işaret sezimi ve kestirimi için optimal stokastik yaklaşımlar

    BERKAN DÜLEK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ENİS ÇETİN

    YRD. DOÇ. DR. SİNAN GEZİCİ

  5. Tez No

    972760

    A smart intrusion detection systemagainst cyber attacks in unmanned aerial vehicles

    İnsansız hava araçlarında siber saldırılara karşıakıllı saldırı tespit sistemi

    BURCU SÖNMEZ SARIKAYA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİF BAHTİYAR

Geri Dön