22 Mayıs 2013 Çarşamba

Siyah Gri Beyaz: Simülasyon Teknolojileri ve İnsansız Hava Araçları... - Arda Mevlütoğlu - 26 Nisan 2013

Kaynağı görüntülemek için tıklayınız: Siyah Gri Beyaz: Simülasyon Teknolojileri ve İnsansız Hava Araçları...:


Teknolojideki gelişmeler doğrultusunda İnsansız Hava Araçları'nın (İHA) kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Çok farklı faydalı yük ve motor donanımına sahip, farklı görev ve kabiliyetlere sahip İHA'lar kullanıma girmiştir. Bunlar arasında elden atılan ve birkaç metre çapındaki bir bölgede uçabilen mini İHA'lardan, atmosferin üst katmanlarında 24 saatten fazla havada kalabilen stratejik İHA'lara kadar, çok sayıda farklı tip ve görevde hava aracı tasarlanıp üretilmeye başlanmıştır.

Görev ve kullanım alanına göre İHA'larda çok farklı tiplerde faydalı yükler taşınabilir hale gelmiştir. 1970'li yıllarda silahlı kuvvetler hizmetine giren ilk İHA'larda sadece elektrooptik sensörler bulunurken günümüzde ayrıca çeşitli tiplerde radar, elektronik istihbarat (ELINT; Electronic Intelligence) ve sinyal istihbaratı (SIGINT; Signals Intelligence) donanımı, telsiz ve uydu muhabere (SATCOM; Satellite Communications) gibi farklı sistemler kullanılmaktadır.

Kullanılabilecek faydalı yüklerin sayı ve çeşidindeki bu artış, ihtiyaca uygun görev sistemi seçimini, İHA tasarım ve üretim sürecinin en önemli aşaması halin
e getirmiştir. Mümkün olan en maliyet – etkin İHA platformunun tasarımı için, modelleme ve simülasyon teknolojilerinin kullanımı öne çıkan bir çözüm yöntemi olmuştur. İHA platformunun ve görev sistemlerinin isterlerinin belirlenmesi, prototiplenmesi ve karşılaştırılması için, analiz ve simülasyon araçları, objektif, düşük maliyetli ve düşük riskli bir ortam sunmaktadır.

Simülasyon Teknolojileri

Simülasyon kavramı genel olarak, bir sistem, süreç ya da durumun taklit edilmesi olarak tanımlanabilir. Dolayısıyla simülasyon, söz konusu sistem, süreç ya da durumu temsil edecek bir modeli içerir. Bu model, temsil edilen sistem ile ilgili, gerçek hayatta gerçekleştirilmesi riskli, pahalı ya da zaman gerektiren deneme, inceleme ve çalışmaların gerçekleştirilmesine olanak sağlar. Başka bir deyişle simülasyon, risk, maliyet ve zaman etkenleri açısından tasarruf edici bir kuvvet çarpanı olarak öne çıkmaktadır.

Matematik ve grafik işlemci kapasitelerindeki gelişmeler, birim zamanda yapılabilecek hesaplamalarda büyük artış sağlamıştır. Bu da dolaylı olarak karmaşık sistem ve durumların benzetiminde kolaylık sağlamıştır. Kişisel bilgisayar seviyesindeki bir donanım ile bir sensörün kapsama alanı analizi ya da bir uçuş dinamik modellemesi yapılabilir hale gelmiştir.

Kullanım alanına özgü geliştirilen hazır ticari ürünlerin (Commercial Off the Shelf; COTS) yaygınlaşması ile, entegrasyon ve geliştirme süreç ve maliyetlerinden tasarruf mümkün hale gelmiştir. Böylelikle kendini kanıtlamış araç ve geliştirme ortamları ile, asgari seviyede geliştirme zamanı harcanarak istenen hassasiyet ve sadakat (fidelity) seviyesinde sistem modellemesi gerçekleştirmek olanaklı hale gelmiştir.

Günümüzde simülasyon uygulamaları Live (gerçek), Virtual (sanal) ve Constructive (yapısal) olmak üzere üç ana grupta incelenir. Bu grupları şu şekilde tarif etmek mümkündür:

Live: Gerçek (insan) operatörlerin, gerçek sistemleri kullandığı uygulamalar (Ör.: Atış poligonunda sahte hedefe gerçek silah ile ateş edilmesi)

Virtual: Gerçek (insan) operatörlerin simüle edilmiş sistemleri kullandığı uygulamalar (Ör.: Uçuş simülatörü)

Constructive: Simüle edilmiş sistemlerin yapay zeka tarafından idare edildiği uygulamalar (Ör.: harp oyunu uygulamaları)

Sistemler Sistemi Olarak İnsansız Hava Araçları

İHA’lar, kullanıldıkları görev ve sahip oldukları ekipman dolayısıyla salt bir hava platformu olarak değil, bir sistemler bütünü olarak ele alınmaktadırlar. Bu sistemler bütünü, genel hatları ile şu bileşenlerden oluşur:

Hava aracı

Yer kontrol istasyonu

Yeri terminali

Destek / bakım birimi

Diğer birimler

Dolayısıyla İHA’lar, birden fazla bileşenin uyumlu ve eş güdümlü çalışmasını gerektiren sistemlerdir. Hava aracı platformu bu mimarinin odağındadır ancak sağlıklı çalışması için diğer unsurların tam ve etkin desteğine ihtiyaç duymaktadır.

Bu sistemler sistemine dair ihtiyaç belirleme, kavramsal tasarım, tasarım doğrulama, ölçme ve değerlendirme süreçlerinde kullanılabilecek bir karar destek aracı, anılan süreç ve işlemler için harcanacak zaman ve maliyetlerde büyük tasarruf sağlayabilmektedir. Öyle ki, İHA sistem tasarım ve analiz süreçlerinde modelleme ve simülasyon teknolojilerinin kullanımı ile 50%’den fazla maliyet tasarrufu ve %100’e varan oranlarda yatırım geri dönüşü (Return of Investment; RoI) elde etmek mümkündür.

İHA’nın bir sistemler sistemi olarak ele alınması, anılan proje sürecine yönelik modellenmesini de kolaylaştıracaktır. İHA sistem simülasyonunun temel bileşenleri şu şekilde sınıflandırılabilir:

i. Uçuş Dinamiği

İHA sistem simülasyonunun en temel bileşeni, aracın hareketini tanımlayacak modeldir. Bu modelin bileşenleri şu şekilde özetlenebilir:

Performans modeli: Tırmanma, alçalma, seyir, iniş/kalkış safhaları ivmelenme, hız ve irtifa değerleri vb

Temel aerodinamik parametreler: Ağırlıklar, kanat yüzey alanı, sürükleme katsayıları, ivme değerleri vb

Manevra ve görev tipleri: İniş, kalkış, seyir, eliptik yörünge vb

Motor: Motor tipi, sayısı, platform üzerindeki konum, farklı uçuş rejimlerinde yakıt tüketimi vb

ii. Görev Sistemleri 

İHA’larda kullanılan başlıca görev sistemleri şunlardır:

a. Seyrüsefer Sistemi: İHA’nın belirlenen rota üzerinde uçuş yapmasını, rota üzerinde kalmasını ve gerekli düzeltme manevralarının gerçekleştirilmesini sağlayan alt sistemdir. Atalet seyrüsefer ve küresel konumlama sistemleri tarafından desteklenirler. Söz konusu sistemlerin seyrüsefer hassasiyetleri (Dillution of Precision) bir matematik model olarak simülasyona dahil edilebilir.

b. Elektrooptik Sensörler: Hedef tespit, teşhis ve takibi için kullanılan termal (ısıl) sensör sistemleridir. Söz konusu sistemlerin çalışma parametreleri (dalga boyu, kapsama alanı hacmi, sensör gimbalinin hareket zarfları vb) modellenerek sensörün çalışma koşulları taklit edilebilir.

c. Radar: Bazı İHA paltformlarında Sentetik Açıklıklı Radar (SAR) sistemi bulunmaktadır. Bu sistemlerin kapsama alanı, anten tasarımı, sinyal güç seviyesi gibi parametreleri, radar modelinde girdi olarak kullanılabilir.

d. Muhabere ve ELINT / SIGINT Sistemleri: İHA platformunun diğer hava, uzay, yer ve deniz unsurları ile iletişimini sağlayan alt sistemler ile elektronik istihbarat sistemleri; çalışma frekansı, modülatör modeli, sinyal bant genişliği, filtre modeli, kayıp ve kazanç vb parametreler ile modellenebilir.

iii. Yer Kontrol Sistemi

İHA ile çift yönlü iletişim kurarak kontrol ve kumanda ile takibini gerçekleştiren yer kontrol istasyonu (YKİ), coğrafi konumu, rakımı ile sahip olduğu iletişim sistemleri ile tanımlanarak simülasyona dahil edilebilir. YKİ’nin iletişim sistemleri, İHA platformunda kullanılan iletişim sisteminin bir türevi gibi kabul edilerek, modeller arası uyumluluk sağlanabilir.

iv. Çevresel Faktörler

Gerek İHA, gerekse YKİ’nin görev performansına çevresel faktörlerin etkileri, belli sadakat seviyeleri dahilinde modellenebilir. Bu çerçevede görev ortamındaki üç boyutlu arazi modeli eklenerek, sensör ve iletişim sistemlerinin çalışmasına etkisi gözetlenebilir. Bu analiz için, simülasyonun görüş hattı (Line of Sight; LOS), arazi irtifası (Height over Terrain; HOT) gibi temel arazi sorgulamalarını gerçek zamanlı olarak yapabilmesi gerekir.

Arazi veritabanının oluşturulmasında standart veri biçemlerinin kullanılması, uyumluluk ve uyarlanabilirlik açısından son derece önemlidir. Bu bağlamda DTED (Digital Terrain Elevation Data), DEM (Digital Elevation Model), HDR (High Dynamic Range) öne çıkan veri formatlarıdır.

Arazinin yanısıra atmosfer koşullarının görev performansına etkisinin eklenmesi de, simülasyonun sadakat seviyesini artırır. Bu doğrultuda yüzey ısısı, irtifaya bağlı olarak ısı değişimi, bulut / sis yapısı (alt sınır irtifası, yoğunluk, nem oranı vb.), atmosferik emiş oranı vb. parametrelerin sensör ve iletişim sistem performansına etkisi, modellenebilir.

İHA’yı bir sistemler sistemi olarak ele alan bu yaklaşım doğrultusunda tasarlanan örnek bir simülasyon mimarisi Şekil 1’de verilmiştir.

Bu yapıda faydalı yük modeli, uçuş dinamik modeli ve yer kontrol sisteminden oluşan İHA simülatörü, senaryo üreteci, görsel veritabanı ve görüntü üretecinden oluşan sentetik ortam üzerinde çalışmaktadır.

Faydalı yük modeli, İHA platformu üzerinde taşınan görev sistemlerini kapsamaktadır. Modellenen her bir faydalı yük, uçuş dinamik modeli ile çift yönlü iletişim içinde çalışmaktadır. Söz gelimi elektro-optik sensör kapsama alanı analizi için gerekli olan platform konum, yönelim, irtifa, yatış açısı gibi parametreler uçuş dinamik modelinden alınmakta iken, platformun yönelim, konum ve hız düzeltmesi için gerekli rota düzeltme verileri seyrüsefer sistemi modelinden alınmaktadır.

Uçuş dinamik modeli ayrıca yer kontrol sistemi modeli ile de eşgüdüm içerisinde çalışmaktadır. Yer kontrol sistemi, faydalı yüklerin topladığı veriyi uçuş dinamik modeli üzerinden almakta, aynı zamanda platform konum ve durum bilgilerini operatör ekranına beslemektedir.

Söz konusu İHA Sistem Simülasyonun operatör eğitimi maksatlı bir simülatör olması durumunda, yer kontrol sistemine, uçuş kumanda kontrolleri eklenebilmektedir.

İHA platformu, senaryo üreteci modülü tarafından üretilen sentetik ortam içerisinde hareket etmektedir. Senaryo üreteci, taktik ortamın hazırlanması ve koşturulması, çevresel etkenlerin hesaplanması; sensör ve silah modellerinin oluşturulması ile rota ve karar alma / davranış paternlerinin hazırlanmasından sorumludur. Dolayısıyla senaryo üreteci, simülasyon ortamının çatısını teşkil etmektedir.

Senaryo üreteci, sanal (sentetik) ortamı oluştururken görsel veri tabanından 3 boyutlu arazi ve obje verilerini alır. 3 boyutlu arazi veritabanı, sentetik ortamın sahnesi olarak değerlendirilebilir; tüm objelerin hareketleri ile görev sistemlerinin performanslarının analizinde altlık olarak kullanılmaktadır. Benzer şekilde simülasyon uygulamasındaki tüm hareketli ve sabit nesneler ile köprü, bina, bitki örtüsü vb. nesnelerin görsel modelleri de bu veritabanı içinde yer almaktadır.

Senaryo üretecinin gerçek zamanlı olarak oluşturup koşturduğu sentetik ortam, görsel veritabanı üzerinden görüntü üretecine, görsel çıktıyı ulaştırmak için beslenir. Başka bir ifade ile görüntü üreteci, senaryo üretecinin çıktısını görselleştirmektedir. Görüntü üretecinin çıktısı, projeksiyon sistemi, ekran ya da başka bir kanaldan elde edilebilir. Görüntü üreteci aynı zamanda görsel efektlerin oluşturulmasından da sorumludur.

Söz konusu simülasyon mimarisi, modüler olması nedeniyle, sanal (virtual) ya da yapısal (constructive) simülasyon uygulamalarına kolayca uyarlanabilmektedir. Örneğin bir İHA pilot simülatör sistemi için yer kontrol sistemi bileşenine bir uçuş kumanda modülü eklenmesi yeterlidir. Benzer şekilde uçuş kumanda modülü yerine bir yapay zeka modülü konarak yapısal simülasyon elde edilebilir. Sistem mimarisi, uçuş operatör eğitiminden sistem performans analizine çeşitli ihtiyaçlar için uyarlanabilir bir niteliktedir.

Simülasyon Çıktıları

Tarif edilen mimari, İHA platformuna ait parametrelerin birbirlerine ve / veya çevresel koşullara göre değişiminin ölçülmesi için kullanılabilir. Böyle bir modüler simülasyon mimarisi ile elde edilebilecek çıktılar şu şekilde sıralanabilir:

a. Uçuş performansı: Uçuş profili, faydalı yükün performansa etkisi, istenen görev profilinin başarımı,
optimum rota ve görev profili belirlenmesi, planlanan ve gerçekleşen uçuş performansı arasındaki fark

b. Sensör ve iletişim sistemleri: Kapsama alanı analizi, link bütçe analizi, elektronik harpten etkilenme, platform gövdesinin sensör performansına etkileri (kör bölge analizi), uçuş profilinin sensör performansına etkisi.

c. Görselleştirme: Uçuş profili, faydalı yük performansı, taktik ortam, veri bağı (datalink) işleyişinin 2 boyut ve 3 boyutlu ortamda görselleştirilmesi; harita ve hava fotografı ile entegrasyonu


İHA Sistem Simülasyonunun Kullanım Alanları

Modüler bir yapıda hazırlanan İHA sistem simülasyonu, eğitim, analiz, komuta – kontrol ve değerlendirme alanlarında kullanılabilir. Başlıca kullanım ve çözüm alanları şu şekilde sıralanbilir:

i. Eğitim

Simülasyon uygulaması, İHA platformunun ve faydalı yüklerinin performansının gerçeğe yakın modellenmesini içereceğinden, pilot ve sistem operatörünün eğitiminde kullanılabilecektir. Farklı koşul, tehdit ortamı, coğrafi konum ve acil durum senaryolarında gerçekleştirilecek simülasyon senaryoları, ölçülebilir, kaydedilebilir ve tekrarlanabilir olacaktır. Bu da eğitimin nesnelliğine katkı sağlayacağı gibi eğitimde standardizasyonu da beraberinde getirecektir.

ii. Mühendislik Ve Analiz

Simülasyon uygulaması, İHA platform ve alt sistemlerine dair ihtiyaçların belirlenmesi amacıyla kullanılabilir. Bu kapsamda verilen görev bölgesi ve harekât senaryoları dahilinde farklı tasarım alternatiflerinin ölçülebilir ve ölçeklenebilir bir sentetik ortamda etkinlikleri analiz edilerek, ihtiyacın kapsamı ve nitelikleri belirlenebilir.

Benzer şekilde İHA sistem simülasyonu, belirlenmiş ister ve ihtiyaçları en iyi karşılayan platform ve/veya görev sisteminin belirlenmesinde kullanılabilir. Verilen görev senaryosunu farklı tasarım alternatiflerinin yerine getirme etkinliği, analitik bir ortamda ölçülerek karşılaştırılabilir. Simülasyon Tabalı Tedarik (STT) olarak da adlandırılan bu ölçme ve değerlendirme süreci, klasik tedarik süreçlerinin aksine kaynakların optimum kullanımını sağlayarak tedarik süreçlerini verimli kılmaktadır. STT ayrıca, çok sayıda farklı sistem içeren ve karmaşık bir görev ortamında çalışacak sistemin tedariğinde risk ve maliyet düşürücü bir yöntemdir. STT yaklaşımının en büyük avantajlarından biri, süreç boyunca oluşturulan ve çıktı olarak elde edilen modellerin, diğer tedarik programlarında da kullanılabilir olmasıdır. Bu ise, tedarik sürecinde esneklik ve ölçülebilirlik artılarını doğurduğu gibi, zaman ve maliyetten de büyük tasarruf sağlar. Ayrıca sistem ihtiyacının belirlenmesinden tedariğe ve kullanıma kadar geçen sürenin kısalması, bu süre içinde sistemin teknolojik olarak demode kalması riskini düşürür.

Bu doğrultuda, modelleme ve simülasyon teknolojilerinin artan oranda harekât konsepti (Concept of Operations; CONOPS) belirlemede kullanıldığının altını çizmek gerekir. Gerçek sistemlerle denenmesi riskli ve maliyetli olan harekât koşullarının benzetimi ve tehdit analizi için sentetik ortamda koşturulacak simülasyon uygulaması maliyet – etkin bir çözüm sunmaktadır.

iii. Görev Planlama Ve İcrası

Modelleme ve simülasyon altyapısı, harekât anında, envanterdeki görev ve ihtiyaca en uygun platformun seçimi, platformun taktik ortamda takibi, platformun faydalı yükü ile topladığı verinin görselleştirilerek eldeki mevcut taktik resme entegrasyonu gibi komuta – kontrol faaliyetlerinde kullanılmaktadır. Bu kapsamda son 10 yılda gündeme gelen bir kavram olan “savaş uzayı yönetimi” (Battlespace Management) süreci içinde, gerçek donanım ve sistemlerle entegre çalışan modelleme ve simülasyon çözümleri yaygınlaşmaktadır. Simülasyon uygulaması tarafından hazırlanan çıktılar, komuta – kontrol sürecinde karar destek girdisi olarak kullanılmaktadır. Söz gelimi bir insansız hava aracının rotası üzerinde bulunan bir hava savunma sisteminin sensör kapsama alanı, çevresindeki arazinin 3 boyutlu veritabanı ile birlikte hesaplanarak kör bölgeleri tespit edilebilmekte, İHA için en güvenli rota, gerçek zamanlı olarak belirlenip, uçuş operatörüne görsel ve sayısal veri olarak iletilebilmektedir.

iv. Ölçme Ve Değerlendirme

Simülasyon uygulamaları, gerçek harekât ve uçuş testi sonrası değerlendirme ve doğrulama işlemleri için yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek sadakatte hazırlanmış uçuş dinamik modeli ve faydalı yük modelleri, uçuş sırasında kaydedilen veriler ile karşılaştırılarak, görev etkinlik ve başarım hesaplanmasında kullanılmaktadır. Böylelikle pilot / operatör performansı, uçuş testi başarımı ve analizi gibi konularda ölçülebilir ve nesnel data setleri elde edilmektedir.

Sonuç

Modelleme ve simülasyon teknolojilerindeki gelişmeler, kompleks sistem ve süreçlerin benzetimini mümkün kılmış, bu sistemlerin geliştirme, üretim, kullanım ve değerlendirmesinde nesnel, maliyet – etkin ve düşük riskli çözümlerin üretilmesini sağlamıştır.

Elektronik, bilgisayar ve iletişim teknolojilerinin en yoğun kullanıldığı sistemlerden olan insansız hava araçlarının ihtiyaç belirleme, tasarım, tasarım doğrulama ve analiz süreçlerinde modelleme ve simülasyon teknolojilerinin kullanımı neredeyse bir zaruriyet haline gelmiştir.

Bu kapsamda kendini kanıtlamış, denenmiş ve güvenilir COTS modelleme ve simülasyon çözümlerinin kullanımı, risk ve maliyetlerden tasarruf etmeyi sağlamaktadır. Ayrıca modüler ve esnek bir modelleme ve simülasyon mimarisi, çok farklı alanlarda çözümlerin hızlı ve etkin biçimde üretilmesini sağlamaktadır.

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder