Yeni nesil CNAV-2 seyrüsefer mesajının iyileştirilmesi ve modernizasyonu: CNAV-2M

Küresel Uydu Seyrüsefer Sistemleri (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) günümüzde yapay zeka, otonom kara araçları, acil durumlarda konum tespiti, insansız hava araçları ve özellikle havacılık gibi hayati öneme sahip uygulama alanlarında kritik rol oynamaktadır. Uydudan gönderilen seyrüsefer mesaj bitlerinde meydana gelen hatalar, genellikle gürültü, zayıflama, kanal sönümlemesi, parazit, fiziksel kusurlar kanaldan kaynaklı olarak uydudan alıcıya iletim sırasında meydana gelmektedir. Bu durumu en aza indirmek ve gelen seyrüsefer mesajının güvenirliliğini artırarak daha doğru çözümlenmesini sağlamak için birçok haberleşme sisteminde olduğu gibi GNSS sistemlerinde de herhangi bir yeniden iletim talebi olmaksızın gürültülü kanallar üzerinde meydana gelen bu hataları düzeltme yeteneğine sahip İleri Hata Düzeltme (Forward Error Correction) mekanizmasından faydalanılır. Geçmişten günümüze kadar gelinen süreç içerisinde GNSS'te hataları düzeltmek ve veri bütünlüğünü kontrol etmek için Hamming, Bose–Chaudhuri–Hocquenghem (BCH), Konvolüsyonel ve Düşük Yoğunluklu Eşlik Kontrolü (Low Density Parity Check, LDPC) kodları olmak üzere dört yöntem tercih edilmiştir. Bahsedilen bu dört yönteme ilave olarak Turbo ve özellikle son yıllarda oldukça popüler olan Polar kodlama ve gelişmiş versiyonları literatürde yoğun ilgi görmektedir. Yarı-Döngüsel Düşük Yoğunluklu Eşlik Kontrolü (Quasi-Cyclic Low Density Parity Check, QC-LDPC), Turbo, Polar ve Döngüsel Artıklık Denetimi Destekli Polar (Cyclic Redundancy Check Polar, CRC-Polar) kodlama gibi yöntemlerin GNSS mesaj yapısına uygulanması durumunda sergileyeceği performansı karşılaştıran ve özellikle işbirliği ve uyumluluk programı çerçevesinde yakın gelecekte GPS, GLONASS, Galileo ve BeiDou olmak üzere bütün uydu seyrüsefer sistemleri tarafından ortak yayınlanacak yeni nesil CNAV-2 mesajında kullanımı üzerine herhangi bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Bu kapsamda, yedi kıyaslama ölçütü ışığında ortam gürültüsüne bağlı olarak yeni nesil CNAV-2 mesaj yapısı için özellikle yenilikçi haberleşme sistemlerinde kullanılan doğruluğu ve gürültüye karşı dayanıklılığı yüksek Konvolüsyonel, Turbo, LDPC, QC-LDPC, Polar ve CRC-Polar gibi çeşitli kanal kodlama yöntemlerinin sergileyecekleri performansı detaylı ve bütünsel olarak incelenerek modernize edilmiş yeni bir CNAV-2 mesaj yapısı önerilmiştir. Matrix Laboratory (MATLAB) ortamında geliştirilen simülasyon modeline dayalı olarak Konvolüsyonel, Turbo, LDPC, QC-LDPC, Polar ve CRC-Polar yöntemleri CNAV-2 mesaj yapısına uygulanmış ve her bir yöntemin sergilediği performans kıyaslama ölçütüne bağlı olarak mevcut durumlar referans alınarak değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmeler ışığında, mesaj yapısı değiştirilmeden mevcut kanal kodlama yöntemleri yerine CRC-Polar yapısının kullanılması ile gürültüye karşı daha dayanıklı ve daha iyi performans sergileyen yeni bir CNAV-2 mesajı önerilmiştir. CRC-Polar yönteminin uygulanması sonucunda alt-çerçeve 1 için 10^−3 BER oranında 0.9 dB, 10^−2 BER oranında alt-çerçeve 2 ile alt-çerçeve 3 için 0.72 dB ve 1.63 dB' lik bir kazanç sağlanmaktadır. Çalışmanın bir adım ötesinde elde edilen bu iyileştirme sonucunda CRC-Polar yönteminde kullanılan eşlik bitlerinin sayısı azaltılarak 1800 bit uzunluğunda ve 18 saniye süreye sahip CNAV-2 mesajı ile aynı BER performansı sergileyen ancak daha düşük mesaj uzunluğu ve daha düşük süreye sahip CNAV-2M olarak isimlendirilen modernize edilmiş yeni bir yapı önerilmiştir. Bu doğrultuda, yapılan kapsamlı analiz sonrası CNAV-2M mesajının uzunluğu 1500 bit ve süresi de 15 saniyeye düşürülmüştür. Bu durum, mesaj uzunluğunda sağlanan 300 −bitlik azalma ve 3 saniye sürenin kısaltılmasına, dolayısı ile yaklaşık %16.6 oranında bir tasarruf edildiği anlamına gelmektedir. Böyle bir durumda, CNAV-2M mesajını iletmek için 12 yerine 10 epok zamanı yeterli olmaktadır. CNAV-2 mesajının bütün uydu sistemleri tarafından ortak yayınlanacak olması dolayısı ile bu çalışmadan elde edilen sonuçların, mevcut uyduya dayalı konum belirleme sistemlerin modernizasyon çalışmalarına önemli katkılar sunacağı ve özellikle Türkiye gibi yerli ve milli hedefler doğrultusunda gelecekte kendi bölgesel uyduya dayalı seyrüsefer sistemini kullanmayı hedefleyen ülkelerin uydu sistemlerini geliştirme noktasında kritik bir rol oynayacağı düşünülmektedir.