Navıgatıonal route optımızatıon of actıve sonar platforms ın a multıstatıc sonar network
Çoklu alicili vericili sonar sistemlerinde hareketli araçlarin rota optimizasyonu
- Tez No: 998974
- Danışmanlar: PROF. DR. SEROL BULKAN, DOÇ. DR. MÜMTAZ KARATAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Denizaltı Savunma Harbi (DSH); gemiler, helikopterler, uçaklar veya diğer denizaltılar gibi platformlar ile icra edilen ve düşmanın dalmış durumdaki araçlarını yakalama, tespit etme, zarar verme veya yok etme amacıyla yapılan bir deniz harbi çeşididir. DSH; dost kuvvetlerin, önemli kaynakların veya tesislerin düşman denizaltılarına karşı güvenliğini sağlar ve suüstü platformlarının bir operasyon sahasında bekasının sağlanması ve icra ettiklerin harekât görevlerini gerçekleştirmeleri için çok büyük öneme sahiptir. DSH operasyonlarının birinci önceliği, gemiler için çok büyük tehdit kaynağı olan batmış durumdaki denizaltıların tespit edilebilmesidir. Bunun dışında bir operasyon sahasında daha önceden yerleştirilen mayınların, asimetrik bir tehdit olarak dalgıçların ve artık günümüzde kullanımı yaygınlaşmaya başlayan otonom sualtı araçlarının da sağlıklı bir şekilde tespit edilmesi yine bu harp türü çerçevesinde icra edilen faaliyetlerdir. Etkili bir DSH, silah ve sensörlerin bir arada kullanımı kadar, iyi eğitilmiş personel ve etkin bir tertiplenme yaklaşımı da gerektirir. Bu tip operasyonlar sırasında hasım denizaltılarını tespit etme, sınıflandırma ve takibi için gelişmiş sonar sistemleri kullanılmaktadır. Bu sebeple sensörler DSH için çok önemli bir yere sahiptir. Sonar sistemleri sesin su içerisinde yayılımından faydalanan akustik teknikleri sualtında seyir, mesafe ölçümü, iletişim veya tespit amaçları için kullanan sistemlerdir. Bu sistemler genel olarak aktif ve pasif sonar sistemleri şeklinde ikiye ayrılır. Pasif sonar sistemleri, hedefin sualtında oluşturduğu ses enerjisini dinleyerek işleme prensibi ile çalışırken, aktif sonar sistemleri sualtında aktif ses dalgaları yayımlayarak geriye dönen ekolardan faydalanma şeklinde çalışır. Her iki tip sonar sistemi de yukarıda bahsedilen fonksiyonları yerine getirebilmek için akustik eko karakteristiklerini kullanmaktadır. Aktif sonar sistemleri ise ayrıca gönderici ve alıcı birimlerinin yerleşimleri göre de kategorilendirilmektedir. Monostatik aktif sonarda gönderici ve alıcı birimler aynı yerde bulunmaktadır. Ayrı yerlerde bulunmaları halinde bu sistem bistatik aktif sonar olarak adlandırılmaktadır. Son olarak da eğer birden fazla ve ayrık durumda gönderici ve alıcı sensör bulunması halinde bu tip sistemler multistatik aktif sonar sistemleri olarak nitelendirilmektedir. Multistatik sonar sistemlerinde bir veya birden fazla aktif verici ile bu vericiler tarafından üretilen sonar yayınlarını dinleyen birden fazla pasif dinleyiciler bulunmaktadır. Düşman platformlarının tespit, teşhis ve takibi için sualtı sensörlerinin kullanılması DSH için çok önemli bir faktördür. Geçmişte bu kapsamda pasif sensörlerin yoğun bir şekilde kullanılması yaygın olmakla birlikte, günümüzde denizaltı inşa teknolojilerinde yaşanan büyük ilerleme ile daha sessiz denizaltıların elde edilmesiyle sadece pasif sensörlerin kullanımı yetersiz kalmaktadır. Son zamanlarda monostatik sistemlerin ve pasif sensör ağlarının karşısında multistatik sonar ağları oldukça başarılı bir çözüm olarak görülmektedir. Multistatik sonar sistemlerinin birçok üstünlüğünün olmasına karşılık farklı şekillerde kaplama alanlarını içermesi sistem karmaşıklığının da artmasına yol açmaktadır. Bu tez çalışmasında alıcı mevkilerin önceden bilindiği bir çoklu alıcılı vericili sonar sisteminde etkin bir saha kaplaması sağlamaya yönelik olarak kaynak rolündeki hareketli bir aracın optimum rotalarının tespitine yönelik optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu kapsamda, arama yapılacak olan bir deniz sahasındaki ortam koşullarının (tespit olasılığına etki eden temel parametreler) ve bu deniz sahasına önceden bırakılmış olan belirli sayıdaki pasif sonoboyun mevki ve tiplerinin bilindiği varsayılmış ve“hareketli bir aktif sonarın (karineye monteli sonar, düşük frekans çekili aktif sonar, aktif sonarlı otonom sualtı aracı vb.) saha içerisinde hangi rota bacakları üzerinde hareket ederse sistemin bu operasyon boyunca elde edilen saha kapsamasını en büyükler?”araştırma sorusuna cevap aranmıştır. Bir başka deyişle,“çok sayıda pasif sonoboyun bulunduğu bir ortamda, hareketli bir aktif sonarın optimum rotası ne olmalıdır?”problemi ele alınmıştır. Bu problem, Karma Tamsayılı Doğrusal Programlama (MILP) modeli ve Karınca Kolonisi Optimizasyonu (ACO) sezgisel algoritması kullanılarak çözülmüş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Bu çalışma, çoklu statik sonar ağlarında hareketli kaynaklar için rota optimizasyonuna yönelik yeni bir teorik ve hesaplamalı yaklaşım sunmaktadır. Çerez kalıbı (cookie-cutter) algılama modeli ve altıgen uzaysal ayrıştırma yaklaşımı kullanılarak geliştirilen MILP formülasyonu küçük ölçekli problemler için kesin (optimal) çözümler üretirken, ACO sezgisel yöntemi daha büyük ve karmaşık problem boyutları için verimli ve ölçeklenebilir yaklaşık çözümler sağlamaktadır. Bu araştırma, su altı ortamlarında sensör ağı seyrüseferi için matematiksel modelleme ve optimizasyon alanı ile sınırlıdır. Çalışmanın temel amacı, karmaşık uzamsal ortamlarda sonar sensör kullanım verimliliğini artırmaktır ve bu konu, yöneylem araştırması, kontrol sistemleri ve deniz robotikleri gibi akademik alanlarda ilgi görmektedir. Kullanılan teknikler askeri senaryolara uyarlanabilir olsa da, bu çalışmada hiçbir gizli sistem, teknoloji veya operasyonel doktrin kullanılmamış ya da ifşa edilmemiştir. Elde edilen sonuçlar genel ve metodolojik niteliktedir ve tüm deneyler, gerçek dünyadaki gizli parametreler yerine sonar kapsama prensiplerinin genel özelliklerini yansıtan soyut sensör modelleri kullanılarak simülasyon ortamında gerçekleştirilmiştir. Kullanılan veri ve modeller, herhangi bir kısıtlı askeri veri veya belirli operasyonel senaryoların simülasyonunu içermemektedir. Bu çalışmanın çift kullanımlı (dual-use) potansiyelinin farkında olduğumuzu belirtir ve olası kötüye kullanımı önlemek için gerekli tüm önlemlerin alındığını teyit ederiz. Etik sorumluluğumuzun bir parçası olarak, çift kullanımlı araştırmalarla ilgili ulusal ve uluslararası yönergelere sıkı şekilde uyulmaktadır. Araştırmanın barışçıl ve toplumsal fayda sağlayan amaçlara hizmet etmesini sağlamak için şeffaflık, mevzuata uyum ve sorumlu kullanım ilkelerini savunmaktayız.
Özet (Çeviri)
Anti-submarine warfare (ASW) is a category of naval warfare that operates different naval platforms, such as ships, helicopters, planes, or other submarines to catch, locate, deteriorate, or destroy the opponent's submerged platforms. This branch of warfare is carried out to secure friendly forces, important resources, or facilities against enemy submarine attacks. Providing survivability for our forces to conduct the assigned military operations is very important. An effective ASW operation requires consolidation of both weapons and sensors, as well as a highly trained crew and efficient deployment approaches. During these operations, sophisticated sonar systems are employed for detection, classification, localization, and following a target submerged vessel. Therefore, sensors are vital assets of ASW. Sonar systems use acoustic techniques that benefit sound propagation under the water for various purposes such as navigation, distance measuring, communication, or detection. There are two types of sonar systems, namely passive and active sonar systems. Passive sonars perform by listening and acquiring the sounds created by other platforms, while active sonars emit active sound pulses and gather the returning echoes. Both types of sonar systems assess the acoustic echo characteristics for the above-mentioned purposes. Active sonar systems are also categorized according to the placement of their transmitters and receivers. In a monostatic active sonar configuration, the transmitter and receiver are co-located at a single position. When they are separated, it is called bistatic active sonar. Finally, there are multistatic active sonars, which consist of more than one non-collocated transmitter and receiver. Multistatic sonar systems include one or more active transmitters and several passive receivers that listen to sound echoes transmitted by the transmitters. The strategic deployment of underwater sensors for the detection, localization, and monitoring of adversary platforms represents a fundamental aspect of ASW. Although passive receivers have been widely employed historically, advancements in modern submarine technology have made submarines quieter and, as a result, increasingly challenging to detect using passive sensors alone. In this context, multistatic sonar networks have emerged as a promising alternative to purely passive sensor fields and conventional monostatic systems. Although multistatic sonar fields offer numerous advantages, they also introduce increased system complexity due to their nontraditional coverage configurations. This thesis seeks to develop an optimization framework for determining the optimal navigation paths of a mobile platform acting as an active transmitter within a multistatic sonar network, where all receiver locations are pre-determined, with the objective of achieving efficient area coverage. In this context, the environmental conditions in the area of interest (the fundamental seawater parameters which directly affect the probability of detection) and the locations and types of predefined numbers of passive sonobuoys are assumed to be known in advance, and an answer to the research question of“during the operational time of a moving active sonar system (hull mounted active sonar, towed active sonar with low frequency, autonomous underwater vessel, etc.), which course legs it should follow in order to maximize the sea area coverage is sought. In other words, the problem of ”what should be the optimum navigational route of a mobile active sonar in an environment with many passive sonobuoys" will be discussed. This problem is solved using a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model and an Ant Colony Optimization (ACO) heuristic, and the obtained results are comparatively analyzed. This work presents a novel theoretical and computational approach to route optimization for mobile sources in multistatic sonar networks. Leveraging a cookie-cutter sensing model and a hexagonal spatial decomposition, the MILP formulation delivers exact solutions for small instances, while the ACO heuristic provides efficient, scalable approximations for larger, more complex problems. This research is confined to the domain of mathematical modeling and optimization for sensor network navigation in underwater environments. The study's core objective is to enhance the efficiency of sonar sensor usage in complex spatial domains, which is of interest in academic fields such as operations research, control systems, and marine robotics. Although the techniques may be adaptable to military scenarios, we emphasize that no classified systems, technologies, or operational doctrines are used or revealed. The results are generic and methodological in nature, and all experiments are performed in a simulated environment using abstract sensor models that reflect general principles of sonar coverage rather than real-world classified parameters. The data and models used do not include any restricted military data or simulation of specific operational scenarios. We acknowledge the potential dual-use nature of this work and confirm that all necessary precautions have been taken to prevent misuse. As part of our ethical responsibility, we adhere strictly to national and international guidelines concerning dual-use research. We advocate for transparency, regulatory compliance, and responsible application to ensure the research serves peaceful and socially beneficial purposes.
Benzer Tezler
- Otonom hava araçları için dağıtık parçacık sürü optimizasyonu ile güvenli ve verimli rota planlaması
Safe and efficient route planning for autonomous aerial vehicles using distributed particle swarm optimization
ALPASLAN TETİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Savunma ve Savunma TeknolojileriYıldız Teknik ÜniversitesiAviyonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAVUZ EREN
- Savaş uçakları için dört boyutlu bir uçuş yönetim sisteminin tasarımı
4-dimensioned flight management system design for the fighter aircrafts
KAAN TELLİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Multi-sensor data fusion for path prediction of escaping from engagement in combat aircraft
Savaş uçaklarında angajmandan kaçış yolu kestirimi için çok sensörlü veri füzyonu
ENVER NURULLAH GÖKAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiAviyonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UFUK SAKARYA
- Vision-based detection and recognition of maritime objects for autonomous surface navigation
Otonom deniz seyrüseferi için görüntü tabanlı engel tespiti ve gemi sınıflandırma
SEVDA SAYAN YONCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAZIM KEMAL EKENEL
- Uzun menzilli uçuşların performans ve planlama yöntemlerine dayalı maliyet iyileştirmesi
Cost improvement based on performance and planning methods of long-haul flights
ZAFER CAN ÇINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR