Boeing-747 uçağının seyrüsefer sisteminde arıza tespiti, teşhisi ve yeniden yapılandırma

Teknolojini gelişmesiyle birlikte pek çok alanda hızlı büyüme ve üretimde artış gözlenmektedir. Büyüyen ve gelişen alanların başında havacılık sektörü gelmektedir. Havacılık sektörünün gelişmesiyle birlikte gerçekleştirilen uçuş sayısı, kullanılan uçak adedi ve taşınan yolcu sayısı ciddi anlamda artış göstermiştir. Dünyada havacılık sektörü her yıl ortalama %4'lük büyüme göstermekte, bu durumda haliyle uçuş ve uçak sayılarınında artmasına neden olmaktadır. Uçaklar belirli bir noktadan başka bir noktaya uçarken, kendilerine ayrılmış soyut bir koridor içinde hareket ederler. Uçaklar bu koridor içinde hareket ederken dahili veya harici navigasyon sistemlerini kullanırlar. Navigasyon uçağa ait konum, hız ve durum değişkenlerinin ilgili koordinat sistemine göre hesaplanması demektir. Bir gün içerisinde gerçekleştirilen binlerce farklı noktadan gerçekleştirilen uçuşlar düşünüldüğünde navigasyon sistemlerinin önemi anlaşılabilir. Navigasyon sistemlerdeki herhangi bir hata veya navigasyon doğruluğunun azalması uçuş emniyeti tehlikeye atarken, kaza-kırım olaylarına neden olabilir. Örnek vermek gerekirse; kıtalar arası veya okyanus aşırı uçuş yapan uzun menzilli uçaklarda navigasyon doğruluğunun azalması uçuş emniyetini riske sokar. Navigasyon sistemleri, Ölü Hesaplama Navigasyon Sistemleri ve Konum Belirleme Navigasyon Sistemleri olmak üzere iki alt başlıkta toplanabilir. Uçaklarda kullanılan temel ölü hesaplama navigasyon sistemleri dört çeşittir. Bunlar, Ataletsel Seyrüsefer Sistemi (ASS), Doppler/Yönelme Referans Sistemi, Doppler Ataletsel Seyrüsefer Sistemi ve Hava Verileri/Yönelme Referans Sistemi'dir. Dört temel ölü hesaplama navigasyon sistemleri arasında en yaygın kullanılan ve en doğru navigasyon bilgisini sağlayan sistem Ataletsel Seyrüsefer Sistemi (ASS)'dir. Ataletsel Seyrüsefer Sistemi (ASS) jiroskop, ivme ölçer ve navigasyon bilgisayarlarından oluşur. ASS'de bulunan jiroskoplar uçağa ait açısal değişimleri tespit ederken, ivme ölçerler uçağın ivmesini ölçer ve navigasyon bilgisayarlarıda bu bilgileri kullanarak uçağa ait navigasyon bilgilerini hız, konum ve durum olarak hesaplarlar. ASS'ye ait çıktılar uçaklarda bulunan diğer sistem tarafından kullanılır. ASS çıktılarını kullanan sistemlerden bazıları; Uçuş Yönetimi Sistemi, Elektronik Uçuş Aletleri Sistemi, Uçuş Yönlendirme ve Kontrol Sistemi'dir. ASS'de bulunan jiroskop ve ivme ölçerler kendi yapısal özellikleri nedeniyle zamanla bu sensörlerde hatalar meydana gelir. Oluşan sensör hataları ASS'de performans kaybına neden olurken, sistemin sağladığı navigasyon bilgisinin doğruluğu azalır. ASS'de çeşitli nedenlerle meydana gelen hatalar düzeltilmediği taktirde zaman geçtikçe sisteminin güvenilirliliğinde ciddi oranda azalacaktır. Bu nedenle, özelikle yüksek doğruluk gerektiren navigasyon uygulamarında ASS tek başına yeterli olmayacaktır. Konum Belirleme Navigasyon Sistemleri üç temel alt sistemden oluşmaktadır, bu alt sistemler Küresel Konumlama Sistemi, Radyo Seyrüsefer Sistemi ve Arazi Referans Sistemi'dir. Konum Belirleme Navigasyon Sistemleri arasında en yaygın olan ve kullanılan alt sistem Küresel Konumlama Sistemi (KKS)'dir. Küresel Konumlama Sistemi uzay bölümü, kullanıcı bölümü ve kontrol bölümü olmak üzere üç farklı bölümden oluşur. Kullanıcı bölümü küresel konumlama sistemine ait alıcıya verilen isimdir. Uzay bölümünde ise uydular bulunur. Bu uydular dünya yüzeyine göre yaklaşık 20,000 km yükseklikte olup kullanıcıların kullanması için yeryüzüne sinyaller gönderir. Kullanıcılar uydulardan gelen sinyalleri alarak kendi navigasyon problemini çözecek bilgileri elde etmiş olur. Kontrol bölümü üç temel bileşenden oluşur. Bu bileşenler ana kontrol istasyonu, gözlem istasyonları ve yer antenidir. Kontrol bölümü uydulardan gelen sinyalleri kontrol eder ve gerekli düzeltmeleri yaparak uydulara geri gönderir. KKS'nin sistemsel özellikleri ve çevresel koşullardan ötürü konum belirlemede hatalar meydana gelmektedir. Bu hatalardan en bilineni alıcının uydular tarafından gönderilen sinyalleri alamaması durumudur. Alıcının içinde bulunduğu çevresel ve fiziki koşullar, örneğin dağlık bölgeler, sinyalleri istenen doğrulukta veya hiç alamamasına neden olur. Bu nedenler ötürü yüksek doğruluk gerektiren navigasyon uygulamarında KKS tek başına kullanılamaz. ASS ve KKS'nin birbirlerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu sistemlerinin faydaları birleştirilerek daha gelişmiş, güvenilir ve yüksek doğruluk sağlayan yeni bir sistem türetilebilir. Bu yeni sisteme tümleştirilmiş navigasyon sistemi denir. ASS ve KKS'den alınan verileri Kalman filtresi kullanarak birleştirilerek tümleştirilmiş navigasyon sistemi oluşturulur. Kalman filtresi 1960'lı yıllarda Rudolf E. Kalman tarafından durum değişkenlerine ait en iyi tahmini yapmak amacıyla geliştirilmiştir. Filtre algoritmasının temeli en küçük kareler yöntemine dayanmaktadır. Kalman filtresinin en önemli özelliklerinden biri de kendi içinde tekrarlanan bir algoritmaya sahip olmasıdır. Bu algoritma sayesinde Kalman filtresi bir sonraki durum değişkeni tahmini yapabilmesi için sadece bu adımın bir önceki durumunu bilmesi yeterlidir. Böylece, Kalman filtresi diğer filtrelere göre daha basit bir yapıya sahiptir. Bu basit yapı, Kalman filtresinin diğerlerine göre daha hızlı çalışmasına ve sistemlere entegresinin daha kolay olmasını sağlamıştır. Kalman filtresi; birden fazla sistemin tümleştirilmesi, ölçüm hatalarının indirgenmesi, sistem gürültüsünü azaltması ve bilinmeyen değişkenlerin tahmininde kullanılır. Kalman filtresi çok çeşitli alanlarda kullanılabilinir; örneğin navigasyon uygulamalarında, uçaklarda, gemilerde, hava tahmin uygulamalarında, ekonomik alanlarda, uyduların takibini gerektiren uygulamalarda. Kalman filtresi kullanarak oluşturulan tümleştirilmiş navigasyon sistemlerinin birden fazla sayıda ve farklı yapıda mimarisi bulunur. Farklı mimari yapılardan uygun olanının seçilmesi kullanılan sistemlere, elde edilmel istenen sonuçlara göre farklılık göstermektedir. Bu çalışmada en çok kullanılan mimari türlerinden olan gevşek bağlı ve sıkı bağlı tümleştirilmiş navigasyon sistemleri incelenmiş ve uygun olan mimari seçilmiştir. Tümleştirilmiş navigasyon sistemlerinin kullanımıyla birlikte ASS ve KKS'de oluşan ve navigasyon bilgisinin doğruluğunu etkileyen hatalar azaltılarak daha güvenilir ve yüksek doğrulukta yeni bir sistem elde edilmiş olur. Özellikle yüksek doğruluk istenen uygulamalarda tümleştirilmiş navigasyon sistemleri kullanılarak navigasyon bilgisi sağlanır.