Yüksek dinamikli koşullarda çalışmaya uygun gelişmiş GPS işaret izleme uygulamaları

Güdümlü füze ve roketlerin hedeflerini doğru takip edebilmesi ve istenilen rotada seyredebilmesinde yaygın olarak Küresel Konumlama Sistemi'nden (GPS) yararlanılır. Ancak bu platformların yüksek hıza ve ivmeye sahip olması GPS performansını önemli ölçüde kötü etkiler. Bir GPS alıcısında gerçekleşen en kritik işlemlerden biri, kesintisiz bir biçimde işaret izleme yapmaktır. Alıcı uydudan aldığı işaretleri işleyerek önce işaretlerin hangi uydudan geldiğini belirler ve bu adımdan sonra işaret takip devreleriyle her bir uydu işaretini ayrı ayrı takip eder. Eğer alıcı, uydu işaretlerinin takibinde başarısız olursa konum belirleme işlemi gerçekleştirilemez. Bu nedenle GPS alıcılarında güvenilir işaret izleme mekanizmalarına ihtiyaç duyulur. Alıcının konum belirleyebilmesi için alıcıdaki işaret izleme bloğunun GPS uydularından gelen işaretlerin taşıyıcı ve kod fazı/frekansına kilitlenmesi gerekmektedir. GPS alıcılarında taşıyıcı fazı/frekansı ve kod fazı Faz Kilitlemeli Döngü (PLL) yapılarıyla takip edilir. PLL performansı, düşük işaret-gürültü oranı, Doppler frekans kayması, alıcıda bulunan hassas osilatörün doğruluğunun seğirme ve ivme nedeniyle değişmesi, termal gürültü gibi faktörlerden etkilenir. Bunların arasında en baskın gelen sorun yüksek hızdan kaynaklanan Doppler frekans kaymasıdır. Yüksek dinamikliğe sahip koşullar altında sağlıklı bir işaret izleme yapılabilmesi için PLL'in, Doppler etkisi nedeniyle oluşan taşıyıcı frekansı sapmalarını tolere edebilmesi ve doğru taşıyıcı frekansına kilitlenebilmesi gerekmektedir. Ancak, basit işaret takip yapıları yüksek dinamiklik altında çalışamamaktadır. Bu nedenle gelişmiş işaret takip yapılarının kullanılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Kesintisiz bir işaret izleme için mevcut geleneksel yapıya yardımcı olmak üzere ataletsel navigasyon sistemlerinden de yararlanılabilir ancak bu güvenirliği maliyetiyle doğru orantılı olan bu sistemler özel uygulamalar için büyük mali yük oluşturur. Bu nedenle, yazılım veya donanım ortamında gerçekleştirilebilen gelişmiş işaret izleme yapılarının kullanılması tercih edilir. Bu tezde; GPS işaretinin özellikleri, bir GPS alıcısının gerçekleştirdiği temel işlemler ve temel GPS işaret izleme yapısından detaylı bir biçimde bahsedildikten sonra, tez çalışmasında asıl üzerinde durulmak istenen, 2. Derece FLL yardımlı 3. Derece PLL, Kalman süzgeçli PLL ve Bulanık kontrollü PLL olmak üzere yüksek dinamiklik altında kesintiye uğramadan işaret izleme gerçekleştirebilen üç farklı PLL yapısı incelenmiştir. 2. Derece FLL yardımlı 3. Derece PLL en yaygın olarak kullanılan yapılardan biri olup sahip olduğu yüksek dereceli döngü filtresi sayesinde yüksek hız, ivme ve jerk nedeniyle oluşan faz ve frekans hatalarını zaman içinde sıfıra kadar indirebilir. Kalman süzgeçli PLL, geleneksel PLL yapılarındaki taşıyıcı faz dinamik modeli ile diskriminatörlerde üretilen faz hatası, frekans hatası ve buna bağlı olarak hesaplanan Doppler frekans kayma oranınından yararlanarak taşıyıcı faz ve frekansını tahmin eder. Bulanık kontrollü PLL, yapısında yer alan diskriminatörlerde hesaplanan faz ve frekans hatalarını bir bulanık mantık sisteminden geçirerek hata derecelerine göre değişik döngü gürültü bant genişlikleri hesaplar ve taşıyıcı frekansını en iyi şekilde belirlemeye çalışır. Tez çalışmasının uygulama kısmında, bahsedilen üç farklı işaret takip yapısına ait algoritmalar oluşturulmuş ve bu algoritmalar MATLAB ortamındaki bir yazılım tabanlı GPS alıcısı projesine aktarılmıştır. Algoritmaların doğrulanması için gereken GPS işaretleri laboratuvar ortamındaki bir GPS uydusu benzetici cihazdan sağlanmıştır. Üç işaret takip yapısının performansları çeşitli dinamiklere sahip senaryolarla test edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda, bahsedilen yapıların geleneksel yapıya göre yüksek dinamiklik altında daha isabetli taşıyıcı ve kod fazı/frekansı takibi yapabildiği gösterilmiştir.