Automatic tracking and identification systems in navigation

Abstract

Navigasyon (seyir), bir aracı veya insanı bir yerden başka bir yere ulaştırma olarak tanımlanabilir. Hepimiz günlük hayatımızda navigasyonun farklı türleri ile karşılaşmaktayız.Fakat bunların çoğu duyu organlanmıza ve etrafımızdaki işaretlere dayalı türlerdir ve daha hassas bilgi gerektiren durumlarda yetersiz kalmaktadırlar. Böyle durumlarda navigasyonu gerçekleştirmek için elektronik sinyaller kullanılabilir. Elektronik sinyallerin kullanıldığı navigasyon türüne "Radyo Navigasyon" diyoruz. Radyo navigasyonu uzayda kurulmuş sistemler ve yeryüzünde kurulmuş sistemler olmak üzere ikiye ayırabiliriz. Bizim tezimizin ikinci bölümünde uzayda kurulmuş sistemler üzerinde durulmuştur. Uzay bazlı sistemlerin temelleri 1950'lere dayanmaktadır. Bu sistemlerden ilkleri Amerika' lılar tarafindan geliştirilen Transit ve Ruslar tarafından geliştirilen Tsikada'dır. Bu iki sistemde de iki boyutlu konum bilgisi sağlanıyordu ve gelen sinyalin işlenip yeni konum bilgisinin elde edilmesi yaklaşık on-cn beş dakika alıyordu. Bu gibi eksiklerden dolayı yeni sistemlerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur. Amerika Deniz ve Hava Kuvvetleri, uydu yardımıyla konum belirleyecek yeni bir sistem üzerinde çalışmaya başladılar ve GPS' i (Global Positioning System ) geliştirdiler. Buna karşılık olarak Rus'larda GLONASS' ı (Global Navigation Satellite System) geliştirdiler. Her iki sistemde de amaçlanan; süreklilik ve her hava koşulunda çalışabilme, küresel kapsama, dinamik ortamlara uygunluk ve yüksek doğrulukta çalışabilme idi. GPS ve GLONASS'm altmda yatan temel düşünce, uzaya yerleştirilmiş olan uyduları, yeryüzündeki konumumuz için bir referans noktası olarak kullanmaktır. Uzaydaki uyduların konumunu bildiğimiz varsayımı ile bunu yapmak mümkündür. Yeryüzünden yaklaşık yirmi bin km. yukarıda bulunan bu uydulara olan uzaklıklarımızı bularak üç boyutlu konum bilgimizi elde etmek mümkün olacaktır. (Bkz. Şekil 10 - 11 - 12). Uydulara olan uzaklığımızı ise, uydudan gönderilen sinyalin bize varis süresi ile, elektromagnetik dalganın yaydım hızım çarparak buluruz. Görüldüğü gibi uydu sinyalinin bize vanş süresini hesaplamak GPS veGLONASS sistemlerinin en can alıcı noktasıdır. Zamandaki hassaslık uydularda atomik saatler kullanılarak sağlanır. Atomik saatlerin fiyatı ise elli bin ile yüzbin dolar arasında değişmektedir. Bu ise atomik saatlerin GPS kullanıcılarında kullanılmasım olanaksız kılmaktadır. Bunun sonucunda ise GPS ölçümlerinde daha hesaplamaların başında hatalar işin içine girmektedir. Fakat yapılan çalışmalar sonucunda, üç boyutlu konum bilgisi için gerekli olan üç uydu ölçümünün dışında, dördüncü bir uydudan alınacak sinyalle bu sorunun ortadan kaldırılabileceği görülmüştür. GPS kullanıcılarına iki türlü hizmet vermektedir. Bunlardan ilki PPS (Precise Positioning Service) diğeri ise SPS'dir (Standard Positioning Service). PPS Amerika Hükümet'i ve ordusu tarafından izin verilen kişiler dışında kullanıma kapalıdır. Normal kullanıcıların bu sisteme erişimin engellemek için SA(Selective Availability) ve AS (Antispoofing) şifreleme sistemleri kullanılmıştır. PPS sisteminin içerdiği hata; yatayda 22 m., düşeyde 27 m. ve zaman transferinde yaklaşık iki yüz nsn.'dir. SPS sistemi ise GPS alıcısına sahip herkesin kullanabildiği bir sistemdir. Bu sistemin içerdiği hata ise; yatayda 100 m., düşeyde 156m. ve zaman transferinde yaklaşık üç yüz kırk nsn.'dir. GPS 'ten elde edilen, yukarda belirtilen doğruluk derecesine sahip konum bilgisi bir çok uygulama da yeterli olmasına rağmen, gerek insan doğasından gelen daha iyisine sahip olma isteği gerekse de daha hassas bilgi gerektiren uygulamalarda yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle GPS 'in bir adım daha ilerisi olan DGPS (Differential GPS) sistemi geliştirilmiştir. DGPS' te konumu çok iyi bilinen bir referens istasyonu GPS uydulanndan gelen sinyalleri sanki bir GPS kullanıcısıymış gibi işler ve elde ettiği konum bilgisini kendi konum bilgisi ile kıyaslar. Aradaki fark GPS 'ten o bölgeden alınan sinyallerden elde edilen konum bilgisinin içerdiği hata olacaktır. Referans istasyonu bu hataları içeren düzeltme mesajlarım civarına yayınlayarak GPS kullamcılanmn daha doğru bilgi elde etmesini sağlamış olur. DGPS ile elde edilen konum bilgisinin içerdiği hata yatayda ve düşeyde 5m. ile 10 m. arasında olmaktadır. Konum belirleme sistemlerinde bu gibi gelişmeler yaşanırken, gerek deniz gerekse hava araştırmacıları, kullanımda olan radar sistemlerini iyileştirebilecek veya onların yerini alabilecek yeni izleme sistemleri araştırmaktaydılar. İzleme amaçlı radarlar bir digital işaret gönderirler ve bu işaret herhangi bir cisme çarptığında, o cismi tanımlayıcı bilgilerle vericiye tekrar geri döner. Elde edilen veriler çok fazla doğruluklu değillerdir ve bilgiyi güncelleme oram radar anteninin dönüş hızına bağlı olarak genelde yavaştır. Bu nedenler GNSS (Global Navigation Satellite System (örneğin GPS, GLONASS)) sistemlerinin hızlı yükselişi ile birleşince, GNSS XIsistemlerini yeni izleme sistemlerinde kullanma fikri ortaya çıkmıştır. Tezimizin ikinci ve üçüncü kısmı 'bilgisayar, GNSS ve digital radyo işaretlerini' birleştiren sistemlerden ikisini incelemektedir. Tezin üçüncü bölümünde STDMA (Self Organized Time Division Multiple Access) tekniği incelenmiştir. Bu sistemde kullanıcı GNSS sistemlerinden birisiyle sürekli olarak konum bilgisi elde etmekte ve elde ettiği bu bilgiyi VHF veri bağlantısıyla etrafına yayınlamaktadır. Kullanıcı konum bilgisini ne zaman yayınlayacağım özel bir algoritma olan Self Organizing algoritmasını kullanarak karar verir. Bu algoritmada veri iletimi için seçilecek zaman daha önceki iletim bilgileri ve yeni iletim bilgileri göz önüne alınarak belirlenir. Yanı bir merkez kontrol istasyonu tarafından kontrol edilmeye gerek kalmamaktadır. STDMA tekniğinde veri iletimi bandı adından da anlaşılacağı üzere zamanda çoğullama ile paylaştırılır. Her pozisyon bilgisi bir zaman aralığında (time slot) gönderilir. Her kullanıcının gönderdiği konum bilgisi ancak belirli bilgi bölge de hesaba katılır. Buna o kullanıcının içinde bulunduğu VHF hücresi (VHF Celi) denir. Aşın yüklenme durumunda VHF hücrelerinin boyuttan küçültülür. Bu ise STDMA sistemine, her an değişen kullanıcı sayışma göre uyumlu çalışma özelliği katmaktadır. STDMA tekniğinde VHF bandı kullanıldığından VHF hücreleri ufuk çizgisi (Line-of-Sight) ile de sımrlanmaktadır. STDMA Veri Hnklerinin kapasitesi oldukça yüksektir. 25 kHz'lik VHF radio kanallannda dakika' da 2000 konum bilgisi iletilebilmektedir. Tezin dördüncü bölümünde ise DSC (Digital Selective Calling ) tekniği incelenmiştir. DSC Uluslararası Denizcilik Organizasyonu (International Maritime Organization - IMO) tarafından onaylanmış yan otomatik radyo çağrısı kurma sistemidir. Normalde denizcilikteki radyo haberleşmesi sesli bir çağrıdan ve karşı tarafta onu dinleyen kişinin cevabından oluşmaktadır. Yani her hangi bir tehlike anında sizin gönderdiğiniz mesajın karşı taraftan alınabilmesi için o an hatta birilerinin bulunuyor olması ve sizi dinliyor olması gerekmektedir. Bu ise kullanımda olan sistemlerin güvenilirliğini azaltmaktadır. DSC'de herhangi bir haberleşme hattı ile bağlantı kurulduğunda, o hatta kullanılan frekanslar ve gönderilen sinyaller otomatik olarak izlenmektedir ve gelen mesajlann niteliğine göre otomatik olarak cevap mesajlan gönderilebilmektedir. Bumesajlar genelde, geminin kimlik kartı diyebileceğimiz MMSI (Maritime Mobile Service Identity) numarasını, konumunu ve konum bilgisinin elde edildiği zamanı, hangi frekansta haberleşileceği ve tehlike nedeni gibi bilgiler içermektedir. Aynca DSC mesajlan istenilen bir kullanıcıya da yönlendirilebilir ve veri iletimi için HF, MF veya VHF frekanslan kullanılabilir. Bu ise kullanıcılann ufuk çizgisi içinde kalma gerekliliğini ortaya çıkanr. XIITezin sonuçlar bölümünde ise incelenen iki tekniğin avantajları ve dezavantajlarından bahsedilmiştir. İki teknikte de VHF bandlarında iletim gerçeMeştirilmektedir. Bu ise kullanıcıların ufuk çizgisi içinde kalması zorunluluğunu getirmektedir. Bu nedenle, DSC veya STDMA tekniğinin kullanılacağı bölgelerin yeryüzü yapısı uygulamada önemli bir parametre olmaktadır. Yeryüzünün çok yükseltili alçaltılı olduğu bölgelerde ekstra DSC istasyonlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu ise ek bir maliyet getirmektedir. Yine böyle bir bölgede STDMA tekniğini kullanan sistemlerin VHF hücrelerinin boyuttan küçülmektedir. Bu ise kullanıcı sayışım sınırlamaktadır. STDMA tekniğinde kullanılan özel algoritma, bir merkez kontrol istasyonu tarafından kontrol edilerek iletim bandının paylaştırılması gerekliliğini ortadan kaldırmaktadır. Bu algoritma aynı zamanda iletimde meydana gelebilecek çakışmaları önleyebilmektedir ve oluşabilecek çakışmaları da çözebilmektedir. STDMA Veri linklerinin kapasitesi oldukça yüksektir. 25 kHz'lik VHF radio kanallarında dakika'da 2000 konum bilgisi iletilebilmektedir. DSC tekniğinde ise kapasite sorunu vardır. 25 kHz'lik VHF bandlarında dakikada yaklaşık 15, DSC protokolüne uygun mesaj gonderilebilmektedir. Bu sorun DSC iletimi için ekstra kanallar kullanılarak bir ölçüde çözülebilmektedir.

Navigation is defined as the science of getting a craft or person from one place to another. Trying to figure out where you are and where you're going is probably one of man's oldest endavours. Most of us confront some form of navigation in our daily lives. They are usually some simple form of navigation. However, in some cases, more accurate navigational information which needs more complex systems for their realization. Signals from one or more radionavigation aids enable a person (user) to compute their position. Various types of radionavigation aids exist. It can be categorized as either ground- based or space-based. Early developed spaced-based systems (namely the United States (U.S.) referred to as Transit-and the Russian Tsikada system) provide a two dimensional high-accuracy positioning service. However, the frequency of obtaining a position fix varies with latitude. Limitations applicable to both systems are that each position fix requires approximately 10 to 15 minutes of receiver processing and an estimate of the user's position. In the early 1960s, several U.S. government organizations including the military, the National Aeronautics and Space Administration (NASA), and the Department of Transportation (DOT) were interested in developing satellite systems for position determination and developed GPS (Global Positioning Service). Russian government developed GLONASS (Global Navigation Satellite System) in reply to GPS. These navigation system is developed with the desired capabilities (global coverage, continues all weather operation, ability to serve high_dynamicplatforms, and high accuracy). The whole idea behind GPS is to use satellites in space as reference points for locations here on earth. Assuming that we know where the GPS satellites are, we can use them as reference points. They're floating around 11,000 miles up in space. By very accurately measuring our distance from three satellites, it is possible "triangulate" our position anywhere on earth. The distance from the satellite can be calculated by timing how long it takes for a signal sent from the satellite to arrive at our receiver. It is clear that measuring the travel time of a radio signal is the key to xivGPS. Timing is almost perfect on the satellite site. Because they have very precise atomic clocks on board. Atomic clocks cost upwards of $50K to $100K. If our receivers needed atomic clocks GPS would be very costly and unpractical. Designers of GPS came up with the brilliant idea which is to extract timing reference from signals received from the satellites. This made it possible to use much less accurate clocks in GPS receivers. GPS provides two levels of service. One of them is Standard Positioning Service (SPS) for general public use and the other is encoded Precise Positioning Service (PPS) primarily intended for use by the Department of Defense. SPS signal accuracy is intentionally degraded to protect U.S. national security interests. This process, called Selective Availability (SA), controls the availability of the system's full capabilities. The SPS accuracy specifications, given below, include the effects of SA. SPS provides accuracy's within: 100 meters horizontal 156 meters vertical. SPS Coverage is continuous and worldwide, with a position dilution of precision (PDOP). The PPS is specified to provide a predictable accuracy of at least 22m in the horizontal plane and 27,7m in the vertical plane. Basic GPS is the most accurate radio-based navigation system yet developed. And for many applications it's sufficiently accurate. But it's human nature to want more. So, Differential GPS which correct the various inaccuracies in the system is developed. Differential GPS involves the cooperation of two receivers. One of them is stationary and another that's moving around making position measurements. The stationary receiver is the key of DGPS. It ties all the satellite measurements into a solid local reference. If two receivers are fairly close to each other (i.e within a few hundred kilometers) the signals that reach both of them will have traveled through virtually the same slice of atmosphere. Therefore they will have virtually the same errors. We have one receiver measure the timing errors and then provide correction information to the other receivers that are not stationary. By this way virtually all errors can be eliminated from the system, even the Selective Availability error. Differential GPS (DGPS) can yield measurements accurate to a few of meters (5m - 10m) in moving applications and even better in stationary situations. Maritime and aviation surveyers are looking for alternative ways to replace or improve current radar system for navigation or surveillance purposes. The radar system for surveying purpose will send a digital signal back to the transmitter when it detects the radar signal which contain an identifier and altitude. But radar gives very little and usually inaccurate information. The update rate is generally slow, since it is equal to the rotation rate of the radar antenna. And GPS offers surveyers a xvchance to reach their dreams. In the reminder of this thesis a new approach in navigation "automated tracking of vessles" will be discussed which combines computer, GNSS and digital radio. In the third chapter of thesis, it is examined the technique which is used in automated tracking is Self Organized Time Division Multiple Access (STDMA). A station with a system which continuously receives its own position from GNSS system and then broadcasts it via VHF data link is used for this purpose. The station determines its own transmission schedule based on the Self Organizing algorithm which schedules transmissions based on the prior knowledge and future activities on the data link. In other words, there is no need for controlling or polling functions via the master control. The transmission is controlled by the computer and synchronised by an accurate timing signal (UTC), which can be derived from the GPS system. Transmissions from each transponder's VHF-radio are made automatically and with short time- intervals (typically l-60sec). The capacity of the data link is very high. More than 2000 position reports per minute can be transmitted on a single VHF radio channel (25KHz bandwidth). Transmitted data includes Identity, Position (Lat and Long), Altitude, Heading, Speed etc.. as part of the standard aviation position report. It also handles overload very well, with gracefully reduced VHF cell size as a result. In brief; time division multiple access (TDMA) provides efficient use of the frequency resource and the self-organizing algorithm,makes it possible to handle overload, and a constantly changing population of participating stations. In the forth chapter of thesis, DSC (Digital Selective Calling) technique is examined. It is a semi automated method of establishing a radio call which was approved by the International Maritime Organization (IMO) for maritime applications. Radio contact is usually established by making a voice call and relying on an aural watch by the called party to hear the call. Digital selective calling automatically monitors calling frequencies and signals when a communications link is established between marine radios. The advantage of DSC is that it provides faster alerting capabilities and automatic transmission of information. DSC cane be used to send a specific information. The information can include caller's Maritime Mobile Service Identity (MMSI), caller's location, time of location, the requested working frequency and the nature of the distress. Moreover the communication can be established selectively, i.e., DSC messages can be addressed to a certain user. XVIIn the conclusion section, the advantage and disadvantage of both communication techniques is discussed. DSC is a viable alternative for Automated Dependent Surveillance (ADS). The system reliability and integrity are very good. And the latency on the working channel is also good. Coverage area depends on geographic area. It might be needed more DSC sites in the complex area. And it increases cost of the system. DSC has a capacity problem. 15 DSC polls can be made and responded to per minute based on the DSC protocol. Capacity might be increased by using additional channels for DSC. One more advantage of this system is that there are no monthly or per charge for use regardless of traffic volume. And the shipboard equipment is small and inexpensive. In STDMA, transmissions are normally in broadcast and autonomous mode. That means transmission can be monitored by the all the ships or shore stations within the VHF radio range. The capacity of STDMA is very high. More than 2000 position reports in minute can be transmitted on a single radio channel which is 25 kHz. Each reports obtains identity, position, altitude, speed... In STDMA, the data link can be shared among a large number of stations. The system provides minimizing of the transmission conflicts. And also, there is no need master or control station. STDMA system is capable handling overload case and constantly changing population of participating stations. It seems that STDMA is more useful system for surveillance and tracking purpose with its these feature.