TMMOB Makina Mühendisleri Odası VIII. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı 22-23 Mayıs 2015 / ESKİŞEHİR İNSANSIZ HAVA ARAÇLARININ UÇUŞ EMNİYETİNE ETKİSİ VE ÇARPIŞMA ÖNLEYİCİ SİSTEMLER Mehmet Can GÜRBÜZ, Bülent ORHAN 2 nci Hava İkmal Bakım Merkezi Komutanlığı, Kayseri 0352 3512106- (5107) cgurbuz@hvkk.tsk.tr 0352 3512106- (5191) BULENT.ORHAN@hvkk.tsk.tr Özet-Gelişmekte olan teknoloji ile birlikte havacılık alanında en belirgin ilerleme İnsansız Hava Araçlarında (İHA) ön plana çıkmaktadır. İHA sistemleri 2000 li yılların başından itibaren hızla yayılmış, sayısı ve çeşidi artarken buna bağlı olarak kabiliyetleri de oldukça gelişmiştir. Sürekli artış gösteren İHA sayısı uçuş emniyeti açısından diğer uçaklar için önemli bir risk teşkil etmektedir. Bu kapsamda, yapılan çalışmalar ile İHA ların insanlı hava araçları ile çarpışmasının önlenmesine yönelik sistemler geliştirilmektedir. Bildiride, İHA teknolojisinin mevcut durumu, ortaya çıkan yenilikleri ve geleceğe yönelik bakış açısı göz önüne alınarak İHA larda kullanılan çarpışma önleyici sistemler incelenmiştir. zamanda İHA sistemleri ifadesi kullanılmaya başlanmıştır. Bunun nedeni, İHA ifadesinin sadece uçan platformu ifade etmesi ve sistemin tamamını kapsamamasıdır. Hali hazırda ağırlıkları 2 gr ile 15 ton aralığında değişen çok farklı kategorilerdeki İHA sistemleri, birçok açıdan insanlı uçaklara benzemektedir. İHA sistemleri; hava aracı, görev sistemleri, yer sistemleri ve hava-yer tümleşik sistemler olmak üzere genelde dört ana unsurdan oluşmaktadır (Şekil 1). İHA sisteminin kullanım maksadına göre bu unsurların içeriği ve/veya boyutu değişebilmektedir[1]. Anahtar Kelimeler: İnsansız Hava Aracı, Uçuş Emniyeti, Teknolojik Gelişmeler, Çarpışma Önleyici Sistemler. 1. GİRİŞ Günümüzde İnsansız Hava Araçlarının (İHA) durumu havacılığın ilk zamanlarına benzemektedir. Gelişiminden bu zamana kadar geçen sürede yaratıcı akıl, mühendislik yeteneği ve girişimci ruh yeni bir pazar meydana getirmesi; ulaşımın manzarasını değiştiren yeni teknolojiler ve tasarımlar üretmektedir. Yeni ve kazançlı bir pazar olan İHA endüstrisi ülkemizde öncelikle askeri alanda hedef uçaklar ile başlamış zaman ile otonom sistemler ile birlikte ticari bir ürün olarak karşımıza çıkmıştır. Askeri alandaki başarısı, düşük maliyeti ve insansız olarak uçma özelliği İHA ların sivil havacılıkta kullanılması için üreticilere bir ilham vermiştir. İHA lar sivil alanda insanların çalışmalarının zor olduğu bölgelerde çalışabilmekte ve insanlara büyük kolaylıklar sağlamaktadırlar. Ancak gün geçtikçe artan İHA ların sayısı havacılık endüstrisinde uçuş emniyeti açısından mevcut kuralları gözden geçirmesine neden olmuştur. 2. İHA SİSTEMLERİ Uzun bir süre sadece İHA kelimesiyle adlandırılan insansız hava platformları için yakın Şekil 1. İHA Sistemlerinin Unsurları İnsanlı uçaklara göre İHA sistemlerini daha avantajlı kılan temel özellik, "sıkıcı, tehlikeli ve kirli" olarak adlandırılan üç kritik durumda daha etkin, ekonomik ve/veya emniyetli çözümler sunabilmesidir. Sıkıcı (dull) göreve örnek olarak; yüzlerce kilometre uzunluğundaki bir petrol boru hattının kontrol edilmesi veya terörist unsurların bulunduğu değerlendirilen bir evin saatlerce, belki de günlerce devamlı gözetlenmesi verilebilir. Tehlikeli (dangerous) göreve örnek olarak; düşman hava savunma tehdidinin yüksek olduğu bir bölgede gözetleme/keşif görevi icra edilmesi veya çok alçak irtifadan yapılan orman yangını söndürme faaliyeti verilebilir. Kirli (dirty) göreve örnek olarak ise; kimyasal, biyolojik, radyolojik ve nükleer (KBRN) kirlenme tespiti görevi verilebilir[2].
İHA sistemlerinin en önemli ortak özellikleri (Şekil.2) şunlardır: - Sistemin ana unsuru faydalı yükleri üzerinde taşıyabilen İHA ; - Kamera, füze, bomba benzeri faydalı yükler; - İHA sistemleri arasında ve İHA sistemleri harici unsurlarla olan iletişimi sağlayan muhabere sistemleri; - Görevleri planlama, koordinasyon ve icrasında kullanılan komuta-kontrol unsuru; - Yer sistemleri, teçhizatlar ve araçlarda oluşan destek unsuru; - Sistemin işletilmesinde rol alan, İHA pilotundan bakım personeline kadar olan insan unsurudur[3]. entegrasyonun olmaması, pilot durumsal farkındalığın yetersiz olması, halihazırdaki algıla ve sakın sistemi teknolojisinin yetersiz kalması, sertifikasyon ve uçuşa elverişlilik standartlarının henüz olgunlaşmaması ve İHA'lara tahsisli frekans bantlarının olmaması gelmektedir. İHA ların sivil hava sahasına entegrasyonuna yönelik uluslararası ve ulusal düzeyde çalışmalar 2010'lu yılların başında yoğunlaşmaya başlamıştır. Dünya genelinde artış gösteren askeri İHA lar dahil olmak üzere tüm İHA sistemlerinin sivil hava sahasında nasıl uçacağına yönelik kalıcı usuller bulunmamaktadır. Sivil hava sahasındaki mevcut askeri İHA uçuşları geçici düzenlemelere göre yapılmakta ve her seferinde geçici yasak bölgeler oluşturulmak zorunda kalınmaktadır. Entegrasyonun ne kadar sürede tamamlanacağına yönelik ortak bir yaklaşım bulunmamasına rağmen, kısmi entegrasyonun 2016 yılına kadar, tam entegrasyonun ise 2030 yılı civarında tamamlanabileceği değerlendirilmektedir [5]. Şekil 2. İHA Sistemlerinin Unsurları İHA sistemleri, savaşın tüm boyutlarında, askeri hedeflere ulaşmak için muharebe unsurlarına etkili bir şekilde destek sağlamaya başlamıştır. İHA sistemleri insan unsurunu risk altına sokmadan, riskli ve tehlikeli görevlerin icra edilmesi için çok uygundur. İHA insan unsuru içermediği için, yüksek seviyedeki riskli ve uzun havada kalışlı görevlere göre tasarlanabilir. İHA sistemleri istihbarat, gözetleme, keşif, hedef belirleme, lazer işaretleme, taarruz, hasar kıymetlendirmesi, KBRN tespiti ve takibi, kargo nakli, lojistik ikmal, haberleşmenin genişletilmesi alanlarında, muharebe unsurlarına katkı sağlayabilir. Ayrıca, psikolojik harekât, erken ikaz, kaçakçılığa karşı sınırların gözetlenmesi, mayın tespiti, sinyal istihbaratı, deniz araçlarının tespit ve teşhisi, meteorolojik ve oşinografik durumun izlenmesi, arama kurtarma ve kolluk kuvvetlerinin desteklenmesi alanlarında da kullanılabilir[4]. ABD Ulusal Havacılık Otoritesi'nin (FAA), İnsansız Hava Araçlarıyla ilgili yasal düzenlemeye ilişkin talimat yayımlamıştır. İlgili talimatnamede; azami kalkış kütlesi 150 kg'dan ve azami hızı ise saatte 50 knot'dan fazla olan, aynı zamanda azami irtifası da yer yüzeyinden 100 feeti geçen İHA'lar bu talimata tabi olacaklardır. Model uçaklar ve kapalı mekânlarda kullanılmak üzere üretilmiş uçabilen oyuncak veya araçlar bu talimatın kapsamı dışında tutulmuştur. Benzer şekilde; Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme Bakanlığı Sivil Havacılık Genel Müdürlüğü (SHGM), İnsansız Hava Araçlarıyla ilgili yasal düzenlemeye ilişkin 30 Ekim 2013 tarihinde bir talimat yayımlamıştır[6]. Azami kalkış kütlesi 4 kg'dan ve azami hızı ise saatte 50 km'den fazla olan, aynı zamanda azami irtifası da yer yüzeyinden 100 metreyi geçen İHA'lar bu talimata tabi olacaklardır. Model uçaklar ve kapalı mekânlarda kullanılmak üzere üretilmiş uçabilen oyuncak veya araçlar bu talimatın kapsamı dışında tutulmuştur(şekil 3). 3. İHA SİSTEMLERİNİ ETKİLEYEN MEVCUT KISITLAR Mevcut İHA uygulamalarını kısıtlayan hususların başında; olumsuz hava koşulları, sürekli haberleşme linkine ihtiyaç duyulması, sivil hava sahasına Şekil 3. SHGM İHA Talimatnamesi
Başta sivil ve ticari uygulamaları olmak üzere İHA uygulamalarının gelecekte yaygınlaşması, esas olarak üç alanda gerçekleşecek ilerlemelere bağlı olacaktır. İlk olarak İHA ların emniyetli bir şekilde entegrasyonu için bazı teknolojik ilerlemeler gerekecektir. İkinci olarak ise İHA uygulamaları için gerekli kuralların belirlenmesi ve düzenlemelerin gerçekleştirilmesine ihtiyaç olacaktır. Son olarak ise, kamuoyunun İHA lara karşı olan negatif algısının giderilmesi amacıyla İHA kültürünün oluşturulması gerekecektir. 4. İHA LARDA UÇUŞ EMNİYETİNİN İNCELENMESİ Hâlihazırda dünya genelinde ortak kabul gören İHA sistemlerine yönelik uçuşa elverişlilik ve sertifikasyon standartları bulunmamaktadır. NATO nun yayımlamış olduğu STANAG 4671 dokümanı, bu kapsamda değerlendirilebilecek nadir dokümanlardan biridir[7]. NATO, EASA gibi uluslararası organizasyonlar ile ABD gibi birçok ülke bu konuda çalışmalar yürütmekte olup yakın gelecekte insanlı hava araçlarının standartlarına benzer dokümanların hazırlanması beklenmektedir. Uçuş emniyeti açısından İHA ların kullanımına bakıldığında; doğrudan pilot/operatör kontrolünde görev yapan İHA sistemleri, geleceğin harekât ortamında belirli seviyede otonom görev yapma kabiliyetine sahip olacaktır. Ancak, böyle bir sistemin uygulanabilirliği hala araştırılmaktadır. Bu kapsamda, ABD de DARPA tarafından İHA ların sürü halinde görev yapmasına yönelik Collaborative Operations in Denied Environments (CODE) ARGE çalışması 2014 yılında başlatılmıştır[8]. Yer Kontrol İstasyonu içerisinde görev yapan ve/veya yerden kumanda ile kontrol yapan İHA pilotlarının, görsel imkânları ve dolayısıyla durumsal farkındalığı son derece düşüktür. Otonom sistemler değerlendirildiğinde ise bu durum daha karmaşık hale gelmektedir. İHA üzerinde bulunan kameralar ile çevre kontrolü kısıtlı olarak yapılabilmektedir. Bu nedenle, muhtemel bir hava çarpışması durumunda, pilot müdahalesi olmadan otomatik olarak kaçınma yapabilecek, Trafik Uyarısı ve Çarpışmadan Kaçınma Sistemi (Traffic- Alert And Collision Avoidance System TCAS) benzeri bir Algıla ve Sakın Sistemi ne ihtiyaç olacaktır[9] (Şekil 4). Şekil 4. Örnek Algıla ve Sakın Sistemi Çalışması 5. ÇARPIŞMA ÖNLEYİCİ SİSTEMLER Teknolojik gelişmelerle birlikte İHA sayısının artmasının, hava sahalarında risk oluşturarak uçuş emniyetini etkileyeceğinden çarpışmayı engelleyici sistemlere ihtiyaç duyulacağı değerlendirilmektedir. Bu kapsamda; - Mode-S Transponder - TCAS (Trafik Uyarı ve Kaçınma Sistemi) - ADS-B (Otomatik-Bağımlı-Gözetleme ve Yayın) sistemleri ön plana çıkmaktadır. Mode S transponder spesifik olarak hava sahasındaki uçakların konumunu sorgulayabilen ikincil gözetim radarlarının bir türevidir. Mode-S trasponder bulunan uçaklara International Civil Aviation Organization (ICAO) tarafından 24 bitlik kimlik bilgisi verilmektedir. İkincil radar tarafından yapılan genel sorgulamanın ardından uçaktan alınan ID bilgisi kullanılarak sadece ilgili uçak sorgulanabilmektedir. Bu sayede hava sahasındaki uçaklar trafik kontrolü tarafından ayrı ayrı izlenebilmekte ve yönlendirilebilmektedir. ABD Ulusal Havacılık Otoritesinden (FAA) ilk uçuşa elverişlilik sertifikası alan yüksek irtifa, uzun süre havada kalabilen Global Hawk İnsansız Hava Araçları FAA Order 7610.4'e göre Ulusal Hava Sisteminde kullanabilmek için Mode-S transponder ile donatmıştır[10] (Şekil 5). Şekil 5 Mode-S Transponder Haberleşme Diyagramı Uçak kimlik bilgisi kullanarak hava sahasındaki tek bir uçak için sorgu yapabilme imkanı sağlayan
Mode-S Transponder'ın İnsansız Hava Araçlarına entegrasyonu yapılarak takip sistemleri ile izlenebilmesi sağlanmaktadır. Amerikan Silahlı Kuvvetleri Global Hawk'ların operasyonunda eskort uçak ve yer radar sistemlerini de kullanarak uçuş emniyetini artırmaktadır. Bu açıdan yaklaşıldığında takibi yapan ekip ile İHA pilotu arasındaki anlık haberleşmeyi sağlamak için İHA'da telsiz rölesi özelliğinin de bulunması gerekmektedir. TCAS Trafik Uyarı ve Kaçınma Sistemi, bir uçağın seyir halindeyken etrafındaki uçakların transponderlarını sorgulayarak aynı hava sahasını kullanan diğer uçakların uzaklık, yükseklik ve rota bilgilerini tespit eden sistemdir. TCAS, 1 saniyelik periyotta sorgulama yaparak pilota anlık hava resmi sunmaktadır. TCAS, yaptığı hesaplamalara göre hava sahasına giren uçak tehlike oluşturduğunda iki tür alarm üretmektedir. - Trafik Uyarısı (TA:Traffic Advisors), hava sahasına bir uçak girdiğini gösterir ve ekrandan takip edilmesini sağlar. - Kaçınma Uyarısı (RA:Resolution Advisors), tehlike oluşturan uçağı izlemenin yanı sıra iki uçak arasındaki yüksekliği artırmaya yönelik manevra önerileri sağlar(şekil 6). İHA'larda ise hava aracının içinde etrafını gözlemleyen bir pilot olmadığı için durumsal farkındalığın zayıfladığı ve uzaktan kumandanın sebep olduğu anlık güncelleme hatalarından dolayı havacılık otoriteleri sadece TCAS ekran verilerinin yeterli güvenliği sağlayamayacağını ifade etmektedir. Kontrolün pilotta olduğu ve özellikle (BLOS-Behind Line of Sight) görüş dışında olması durumunda, haberleşmenin uydu (SATCOM- Satelite Communication) üzerinden sağlandığında yaşanabilecek gecikmeler de göz önünde bulundurulmalıdır. Otomatik Bağımlı Gözetleme Yayın Sistemi, (ADS-B) Uçağın GPS anteni üzerinden kendi pozisyon bilgisini alıp, bu bilgiye hız, yön, irtifa, uçuş numarası gibi bilgileri de ekleyerek verici anten yardımıyla diğer uçaklara, yer istasyonlarına aktarılmasını sağlayan bir sistemdir(şekil 7). Automatic : Her zaman aktif Dependent :Global Navigayon Uydu Sisteminden (GNSS) konum bilgisi almaya bağımlı Surveillance : Hava sahasını gözetleme imkanı sağlayan Broadcast : Sürekli uçağın konum ve diğer bilgilerini diğer uçak ve yer istasyonlarına yayınlayan anlamına gelmektedir. Şekil 6 TCAS Haberleşme Şeması İHA tasarım aşamasında hava aracı kontrol yazılımına TCAS verilerini işleme kabiliyeti de eklenerek İHA'ya otomatik uçuş esnasında anlık olarak TCAS verilerini işleme kabiliyeti kazandırılabileceği, İHA'nın kontrolü pilotta olduğu durumlarda ise TCAS pilot arayüzü ile TCAS verileri pilota sağlanarak pilot tarafından Resolution Advisors'lara göre önlem almasının sağlanabileceği değerlendirilmektedir[11]. Ayrıca TCAS, Mode-S transponderda olduğu gibi yerde trafik kontrolüne ihtiyaç duymadığından daha geniş bir alanda kullanım olanağı sunmaktadır. Ancak İnsansız Hava Araçlarının TCAS ile entegre edilmesi durumunda; TCAS insanlı uçaklar baz alınarak yapıldığından uçuş esnasında sürekli dışarıya bakan ve gözlemleyen bir pilot olmasının durumsal farkındalığı artırdığı açıktır. Şekil 7. ADS-B Haberleşme Şeması İHA'ların ADS-B ile entegre edilmesi durumunda; TCAS sisteminde olduğu gibi ADS-B sistemi ile donatılmış İHA'larda da uçan bir pilot olmadığından durumsal farkındalık zafiyeti söz konusudur. Ayrıca, TCAS sisteminde olduğu gibi ADS-B sisteminin hacim ağırlık güç tüketimi, maliyet etkinliği gibi nedenlerden dolayı her platforma bu sisteminin takılması mümkün olmamaktadır. İHA Sistemlerinde uçuş emniyetini arttırmaya yönelik teknolojik gelişmeler; çarpışmayı önleyici sistemlere yönelik olarak artış göstermekte olup, ihtiyacı belirleme ve deneme aşamasındadır. Sagatech şirketi, Kansas Devlet Üniversitesi ile İHA'larda kullanılmak üzere; kredi kartı büyüklüğünde Mode-S transponder ve ADS-B Out özelliğine sahip bir kart tasarlamıştır. Transponder, uçak üzerine tek bir anten ile monte edilmekte olup, kullanım olarak Multi Function Display veya Flight
Control Sisteminden yazılımsal olarak kontrol edilebilmektedir(şekil 8). arttırabilecek etkin ve ekonomik çözümler sunabilecek bir duruma gelecektir. Başlangıçta İHA sistemlerini daha dayanıklı ve emniyetli yapacak olan yeni kabiliyetlerin entegrasyonu gerekirken; ileride ise, neredeyse tamamen otonom olarak görev yapacak olan robot İHA sistemleri için mutlaka yapay zekâ benzeri, çok ileri düzeyde teknolojik yeniliklere ihtiyaç duyulacaktır. Şekil 8. Sagatech firması Mode-S Transponder Sagatech firmasının çalışmasına benzer bir çalışma THALES firması tarafından yapılmaktadır. Ancak hala araştırma aşamasında bir ünite olup, Mode-S transponder ve TCAS özelliğine sahip olması düşünülmektedir. THALES firması geliştirme aşamasında olduğu ürünün en büyük engelinin mevcut durumda İHA ların sivil hava sahasına entegrasyonu hususunda havacılık otoritelerinin tutumlarını net bir şekilde ortaya koymadıklarını ve bu belirsizliğin süreci sekteye uğrattığı düşünülmektedir(şekil 9). 7. REFERANSLAR [1] Savunma Sanayii Müsteşarlığı, "İHA Sistemleri Yol Haritası (2011-2030)", 2012. [2] Caitlin Harrington, USAF contemplates unmanned jet option. (IHS Jane s, 24 Ekim 2007), http://www.janes.com/news/defence/air/jdw/jdw07 1024_2_n.shtml, (08 Aralık 2012). [3] C.Karaağaç, Geleceğin Harekât Ortamında İha Sistemleri: Askeri Uygulamalar & Teknoloji Gereksinimleri, HİTEK 2014-102. [4] United States Air Force Chief Scientist (AF/ST), "AF/ST-TR-10-01-PR Technology Horizons: A Vision for Air Force Science & Technology During 2010-2030", 15 Mayıs 2010. Şekil 9. THALES Firmasının Geliştirme Aşamasındaki Transponderi 6. SONUÇ 21.yüzyıl başından itibaren hızla yayılan ve askeri/sivil alanda her geçen yıl daha fazla olgunlaşan İHA sistemlerinin; insanlı hava platformlarına, uydulara ve/veya çeşitli yer sistemlerine göre daha etkin, ekonomik, güvenilir ve emniyetli çözümler elde etmesine bağlı olarak uygulama alanları genişleyecektir. Gelişen teknolojilere bağlı olarak gün geçtikçe artan İHA sayısı, hava sahalarında risk oluşturarak uçuş emniyetini etkileyecektir. Uçuş emniyetini arttırmaya yönelik olarak; İHA'lara entegrasyonu düşünülen havada çarpışmayı önleyici sistemler henüz araştırma aşamasındadır. Havacılık otoritelerinin İHA'lara yönelik uygulama planının netleşmesi ve yapılan çalışmaların sertifikasyon işlemlerinin kesinleşmesi durumunda, ihtiyaç duyulan teknolojinin gelişiminin hızlanacağı düşünülmektedir. Sonuç olarak; sivil hava sahasına entegrasyonu düşünülen İHA sistemlerinin ihtiyaçları belirlenmeli ve geleceğin havacılık ve uzay teknolojisindeki yeniliklere rehber olacaktır. Belki de lojistik ve tarım sektöründeki pazar payını [5] Richard B. Andres, Up in the Air, The American Interest, Eylül-Ekim 2010), http://www.the-americaninterest.com/ article.cfm?piece=861, (04 Mart 2012). [6] Sivil Havacılık Genel Müdürlüğü (SHT -İHA) talimatnamesi, Eylül 2013. [7] Ö.Bahadır ACAR, İnsansız Hava Araçları Ve Sertifikasyon Çalışmaları STANAG 4671 & STANAG 4702, STM A.Ş., Sertifikasyon Müdürlüğü, Şubat 2013. [8] Dyke Weatherington, "Unmanned Aircraft Systems", AUVSI 2013, 13 Ağustos 2013. [9] Mark Contarino, All Weather Sense and Avoid System for UASs, s.12, 2009. [10] Thomas B.Billingsley, Safety Analysis of TCAS on Global Hawk using Aerospace Enconuter Models, Massachusetts Institute of Technology, June 2006. [11] Jörg Mayer, Automatic TCAS Demonstration onboard Barracuda,Cassidian 2010. 8.ÖZGEÇMİŞ Mehmet Can GÜRBÜZ
2009 yılında Yıldız Teknik Üniversitesi nden Elektrik Mühendisi olarak mezun olmuştur. 2010 yılından itibaren mühendis subay olarak 2 nci Hava İkmal Bakım Merkezi Komutanlığında Destek Uçaklar Kısım Amirliği görevinde bulunmaktadır. 2011 yılından beri Erciyes Üniversitesi Elektrik- Elektronik Mühendisliği bölümünde yüksek lisans yapmakta olup, aynı üniversitenin Sivil Havacılık Yüksek Okulunda misafir öğretim görevlisi olarak Elektrik Sistem Uygulamaları dersini vermektedir. Bülent ORHAN 2001 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi nden Havacılık Mühendisi olarak mezun olmuştur. 2003 yılından itibaren mühendis subay olarak Hv.K.K.lığında görev yapmaktadır. 2008 yılında Ege Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünde yüksek lisans eğitimini tamamlamış ve aynı üniversitede doktora eğitimine başlamıştır. Halen 2 nci Hava İkmal Bakım Merkezi Komutanlığında Uçak Sistem Mühendislik Şube Müdürlüğünde görev yapmaktadır.