UYDU ÇALIŞMALARI: Uydu Haberleşmesinde Stabilize Antenler
STABİLİZE ANTENLER
Bilgi alışverişi gün geçtikçe artarken geniş bant veri iletişimine talep de buna bağlı olarak artıyor. Artık hepimiz iletişim olmadığında eksiklik hissediyoruz. Alıştığımız cep telefonlarının kapsama alanlarının sınırlı oluşu, profesyonel alanlarda ise telsiz sistemlerinin yeterli bant genişliğini sağlayamaması gibi sebepler günlük kullanımda talebi uydu tabanlı sistemlere yöneltiyor. Bu sistemler yüksek kapasite, hızlı veri aktarımı, görece düşük maliyetleri son kullanıcı için mümkün kılarken kapsama alanında ise eşi görülmemiş seviyelere ulaşıyor.
Bu sistemlerin yüksek kazançlı yönlü anten kullanım ihtiyacı olduğundan, antenlerin uydulara yüksek hassasiyetle yönlendirilmesi dezavantaj olarak karşımıza çıkıyor. Ek olarak, bazı frekanslarda yer alan polarizasyon ayrımı sebebiyle antenin sadece yükseliş ve yanca açılarında uyduyu görmesi yeterli olmadığından antenin bakış hattı ekseninde dönüklüğü de önemli hale geliyor. Sabit duran sistemlerde bu ayarlar bir kerelik kolaylıkla yapılabilirken hareketli platformlarda anteni sürekli düzeltme ihtiyacı bu sistemleri kullanılamaz hale getiriyor. İşte stabilize antenler bu noktada devreye giriyor.
PLATFORMLAR VE ETKİLERİ
Stabilize antenler, dar bakış açısı olan yönlü antenlerin hareketli platformlarda kullanılmasına olanak sağlıyor dedik. Peki nedir bu platformlar? Beklenmeyen dış etkilere maruz kalan herhangi bir araç. Gemiler, uçaklar, helikopterler, kara araçları, veri iletişimi ihtiyacı olan herhangi bir platform bu kapsama giriyor. Tabii ki üzerinde bulunduğu platforma göre stabilize antenin farklı ihtiyaçları da doğabiliyor. Bir gemi ve arazi aracının yol alırken yaşadığı salınımlar birbirinden çok farklı frekans ve seviyelerde gerçekleşiyor. Bazı antenlerin radom adı verilen koruyucu kabuk içinde çalışması fonksiyonları açısından gerekli iken, bazı antenler bu koruyuculuğa ihtiyaç duymadan hedefe direkt erişim için radomsuz olmayı tercih edebiliyor. Ayrıca platformlar antenin boyutlarını da etkiliyor. Geniş alana sahip gemi gibi bir platformun yüksek bant genişliği ihtiyacı olabiliyor ve bu durumda daha çok eksene sahip, daha büyük ve güçlü bir anten talep edebilirken, dört kişilik kara aracı gibi küçük ama veri ihtiyacı da az olan bir platform için küçük bir anten iş görebiliyor.
HAREKET EKSENLERİ
Hareket eksenleri stabilize antenin çalışmasına nasıl etki ediyor? Temel olarak, bir antenin uyduya yönelmesi için iki eksen ve bu eksenlerde açısal hareket kabiliyeti olması yeterli oluyor. Bunu dünya üzerinde herhangi bir konumu anlatmak için kullandığımız enlem-boylam bilgisi gibi düşünebiliriz.
Bu eksenler farklı sırayla dizilebileceği gibi; farklı kombinasyonlarda da seçilebiliyor. Fakat bazı durumlarda, anten sistemi ekvator gibi bazı konumlara geldiğinde, platformun hareketlerine karşı anteni stabilize etmek için yapılacak hareketlerin çok yüksek hızlarda olması gerekebiliyor. Hatta bu hız konuma göre sonsuzluğa doğru uzanıyor. Bu durumda bahsettiğimiz belirli konumu oluşturan bölge verimli bir iletişime sahip olamıyor ve kapsama alanı dışında kalıyor. Böyle durumlarda üçüncü bir eksenin eklenmesi kapsama alanının artmasını sağlıyor.
Ek olarak, bazı frekanslarda polarizasyon ekseninin varlığı sisteme ek bir özellik getirerek, yapıyı karmaşıklaştırıyor ancak yüksek verimli olmasını sağlayabiliyor.
MİMARİ YAKLAŞIM
Yukarıda bahsettiğimiz eksenlerin farklı sayıda, farklı kombinasyonda ve farklı sırada dizilimi farklı sonuçlar doğuruyor. En basit dizilim olan yanca-yükseliş yapısında ilk eksen olarak ufuk çizgisini tarayan yanca ekseni ve üzerinde buna dik olarak yer alan yükseliş ekseni bulunuyor. Bu basit yapı hemen her yerde başarıyla çalışırken yüksek yükseliş değerlerinde sorun yaşayabiliyor. Bu sorunu gidermek amacıyla eklenebilen çapraz yükseliş üçüncü ekseni ile yüksek yükseliş açılarında performans kaybı olmadan çalışabiliyor. Bu eksen sıralamada farklı yerlerde bulunabiliyor.
Ayrıca, yanca-çapraz yükseliş-yükseliş sıralamasında çapraz yükseliş bağlantı açısını çok yükselterek pratikte tilt-yanca-yükseliş denen kombinasyona da geçilebiliyor. Her üç dizilimde de kendine göre avantajlar ve dezavantajlar bulunduğundan uygulamaya göre karar vererek ve hangi kazanımların elde edileceği göz önüne alınarak optimum çözüme ulaşılmaya çalışılıyor.
MALZEME SEÇİMİ VE ETKİLERİ
Her yapıda olduğu gibi stabilize antenlerde de çeşitli malzeme alternatifleri kullanılabiliyor. Çeşitli metallerin kullanım imkânı olduğu gibi hafiflik ve mukavemet gereken durumlarda kompozit malzemeler de kendine yer buluyor.
Radomlarda ise durum farklı. Bu yapı hem dış çevre koşullarından sistemi korumakla hem de çalışma frekansında radyo dalgalarını geçirmekle sorumlu olduğu için özel malzeme kullanımını gerektiriyor. En başlıca özelliği, iletken olmayan bir malzeme ile üretilmesi gerekliliği. Tüm sistemi çevre koşullarından koruma görevini de üstlendiği için rüzgâr yüküne, sıcaklık değişimlerine ve bozucu etkilere karşı da dayanıklı olmalı.
Bunların hepsi malzeme bilimi konusunda Ar-Ge gereksinimi olarak karşımıza çıkıyor. Farklı frekanslarda çalışan stabilize anten sistemlerinde RF geçirgenliğin parametreleri de değişiyor ve bu da farklı alt malzemelerle çalışmayı gerektiriyor. Bu çalışma, farklı ekiplerin malzemeleri kendi açısından değerlendirerek onay vermesine kadar sürüyor.
ÇALIŞMA SENARYOLARI
Dünya üzerinde bir yerde bulunan anten terminalinin uyduyu görebilmesi için neler gerekiyor ve nasıl hesaplanıyor?
Öncelikle, antenin uyduyu görebileceği yöne bakabilmesi gerekiyor. Bunu yapabilmenin farklı yöntemleri bulunuyor. Arama ya da tarama olarak adlandırabileceğimiz yöntemde, anten mekanik hareketler ile uydu referans sinyalini bulmaya çalışabiliyor. Ancak, anten reflektör boyutuna bağlı olarak değişse de uydu referans sinyali ilgili eksenlerde dar bir aralıkta görülebiliyor. Bu da uzun süren arama hareketlerine ve anten sistemlerinin hareketli platformlarda kullanıldığı da göz önüne alındığında sonuçlanamayan arama hareketlerine sebep olabiliyor. Aramada kullanılan parametrelerin azaltılması ile bu süreler kısaltılabiliyor veya başarıya ulaşması sağlanabiliyor. Örneğin terminalin bulunduğu GPS koordinatları girilebiliyor veya eksenlere tarama aralığı belirlenebiliyor.
Anten kör bakış ile başlayıp aramak yerine, bakış hattının eksen konumları için yönelim hesaplamasını yaparak da uyduya yönlenebilir. Öncelikle yönelim vektörünün hesaplanması ve bu hesap sonucunda kullanılan anten eksen konfigürasyonuna göre ilgili eksenlerin yönelim açı değerlerinin elde edilmesi gerekiyor. Bu da antenin ve uydunun GPS konumları ile algılayıcı verileri kullanılarak matematiksel işlemler sonucunda elde edilebiliyor. Böylece anten bakış hattı hızlıca ve etkin bir şekilde uyduya yönlenebiliyor.
TAKİP YAKLAŞIMLARI
Stabilize antenler dar hüzmeye sahip oldukları için bakış hatlarının hatalı yönlendirilmesi performanslarını büyük oranda etkiliyor. Ayrıca haberleşme uydularının uzaydaki yerleşimleri oldukça yakın olduğu için antenlerin hatalı yönelimleri diğer uyduların haberleşme performanslarını olumsuz etkileyebiliyor. Bu sebeple, stabilize antenlerin en temel ve olmazsa olmaz özelliği yüksek hassasiyet ile uyduya bakabilmek.
Yüksek performans beklentisi olan bu sistemlerin aynı zamanda maliyet etkin, kompakt ve mobil bir sistem olması gerekiyor. Tasarlanan hareket kontrolcüsünün performansı ne kadar yüksek de olsa anten bakış hattının uyduyu iyi görebilmesini sağlamak için yeterli olmuyor. Yönelim hassasiyetini etkileyebilecek faktörler arasında kullanılan algılayıcıların hassasiyeti ve gürültü seviyeleri, mekanik parçaların boyutsal ve montaj hizalama hataları yer alıyor. Bu sorunun çözümü ve mükemmele yakın yönelim için uyduya geri beslemeli yönelim yapılması gerekiyor.
Uydu tarafından yayını yapılan referans sinyalinin geri besleme döngülerinde kullanılarak, uyduya bakışın iyileştirilmesi takip olarak adlandırılıyor. Uydu takibi, yazılım ya da donanım tabanlı yapılabiliyor.
Donanım tabanlı takip ile daha hızlı ve çok daha hassas yönelim yapılabiliyor. Ancak, bu takip yöntemi radyo frekansı algılama hattının karmaşıklaşmasına, büyümesine ve bununla birlikte ağırlaşıp maliyet etkinliğini kaybeden çözümler ortaya çıkmasına sebep oluyor. Bu yüzden, bu yöntem sabit yer antenleri için daha uygun ve tercih sebebi olmakla birlikte, stabilize anten gibi mobil sistemler için dezavantajlı oluyor. Algoritma tabanlı sinyal arttırım teknikleri ile uydu takibinin yapılması özellikle son yıllarda öne çıkan yöntem olarak kullanılıyor. Bu algoritmalar sayesinde uydu yönelim hassasiyeti yüksek oranda artırılabiliyor.
ETKİLEŞİMDE BULUNULAN BİRİMLER
Stabilize antenler çalışma senaryoları itibarıyla pek çok yan cihazla da bir arada çalışmalı. Modem, Low Noise Block Converter (LNB), Block Up Converter (BUC), İşaret Sinyali Alıcı gibi birimlerin birbirleri ve stabilize antenle uyumlu çalışması sistem performansını arttırıyor. Bu sebeple, bu ilişkiler en baştan göz önünde bulundurularak sistem kurgulanıyor.
SONUÇ
Uydu iletişiminin gün geçtikçe artmasıyla bu sistemleri hareketli platformlarda kullanma arzusu artıyor. Bunun sonucu olarak performans beklentisi de artıyor. Bu sebeple, pazardan daha fazla pay almak için ürünlerin daha hızlı, daha verimli, daha hafif ve küçük, daha ucuz olması hedefleniyor. ASELSAN da gittikçe genişleyen ürün yelpazesi ile bu pazarda kendine yer buluyor.
Bilgi alışverişi gün geçtikçe artarken geniş bant veri iletişimine talep de buna bağlı olarak artıyor. Artık hepimiz iletişim olmadığında eksiklik hissediyoruz. Alıştığımız cep telefonlarının kapsama alanlarının sınırlı oluşu, profesyonel alanlarda ise telsiz sistemlerinin yeterli bant genişliğini sağlayamaması gibi sebepler günlük kullanımda talebi uydu tabanlı sistemlere yöneltiyor. Bu sistemler yüksek kapasite, hızlı veri aktarımı, görece düşük maliyetleri son kullanıcı için mümkün kılarken kapsama alanında ise eşi görülmemiş seviyelere ulaşıyor.
Bu sistemlerin yüksek kazançlı yönlü anten kullanım ihtiyacı olduğundan, antenlerin uydulara yüksek hassasiyetle yönlendirilmesi dezavantaj olarak karşımıza çıkıyor. Ek olarak, bazı frekanslarda yer alan polarizasyon ayrımı sebebiyle antenin sadece yükseliş ve yanca açılarında uyduyu görmesi yeterli olmadığından antenin bakış hattı ekseninde dönüklüğü de önemli hale geliyor. Sabit duran sistemlerde bu ayarlar bir kerelik kolaylıkla yapılabilirken hareketli platformlarda anteni sürekli düzeltme ihtiyacı bu sistemleri kullanılamaz hale getiriyor. İşte stabilize antenler bu noktada devreye giriyor.
PLATFORMLAR VE ETKİLERİ
Stabilize antenler, dar bakış açısı olan yönlü antenlerin hareketli platformlarda kullanılmasına olanak sağlıyor dedik. Peki nedir bu platformlar? Beklenmeyen dış etkilere maruz kalan herhangi bir araç. Gemiler, uçaklar, helikopterler, kara araçları, veri iletişimi ihtiyacı olan herhangi bir platform bu kapsama giriyor. Tabii ki üzerinde bulunduğu platforma göre stabilize antenin farklı ihtiyaçları da doğabiliyor. Bir gemi ve arazi aracının yol alırken yaşadığı salınımlar birbirinden çok farklı frekans ve seviyelerde gerçekleşiyor. Bazı antenlerin radom adı verilen koruyucu kabuk içinde çalışması fonksiyonları açısından gerekli iken, bazı antenler bu koruyuculuğa ihtiyaç duymadan hedefe direkt erişim için radomsuz olmayı tercih edebiliyor. Ayrıca platformlar antenin boyutlarını da etkiliyor. Geniş alana sahip gemi gibi bir platformun yüksek bant genişliği ihtiyacı olabiliyor ve bu durumda daha çok eksene sahip, daha büyük ve güçlü bir anten talep edebilirken, dört kişilik kara aracı gibi küçük ama veri ihtiyacı da az olan bir platform için küçük bir anten iş görebiliyor.
HAREKET EKSENLERİ
Hareket eksenleri stabilize antenin çalışmasına nasıl etki ediyor? Temel olarak, bir antenin uyduya yönelmesi için iki eksen ve bu eksenlerde açısal hareket kabiliyeti olması yeterli oluyor. Bunu dünya üzerinde herhangi bir konumu anlatmak için kullandığımız enlem-boylam bilgisi gibi düşünebiliriz.
Bu eksenler farklı sırayla dizilebileceği gibi; farklı kombinasyonlarda da seçilebiliyor. Fakat bazı durumlarda, anten sistemi ekvator gibi bazı konumlara geldiğinde, platformun hareketlerine karşı anteni stabilize etmek için yapılacak hareketlerin çok yüksek hızlarda olması gerekebiliyor. Hatta bu hız konuma göre sonsuzluğa doğru uzanıyor. Bu durumda bahsettiğimiz belirli konumu oluşturan bölge verimli bir iletişime sahip olamıyor ve kapsama alanı dışında kalıyor. Böyle durumlarda üçüncü bir eksenin eklenmesi kapsama alanının artmasını sağlıyor.
Ek olarak, bazı frekanslarda polarizasyon ekseninin varlığı sisteme ek bir özellik getirerek, yapıyı karmaşıklaştırıyor ancak yüksek verimli olmasını sağlayabiliyor.
MİMARİ YAKLAŞIM
Yukarıda bahsettiğimiz eksenlerin farklı sayıda, farklı kombinasyonda ve farklı sırada dizilimi farklı sonuçlar doğuruyor. En basit dizilim olan yanca-yükseliş yapısında ilk eksen olarak ufuk çizgisini tarayan yanca ekseni ve üzerinde buna dik olarak yer alan yükseliş ekseni bulunuyor. Bu basit yapı hemen her yerde başarıyla çalışırken yüksek yükseliş değerlerinde sorun yaşayabiliyor. Bu sorunu gidermek amacıyla eklenebilen çapraz yükseliş üçüncü ekseni ile yüksek yükseliş açılarında performans kaybı olmadan çalışabiliyor. Bu eksen sıralamada farklı yerlerde bulunabiliyor.
Ayrıca, yanca-çapraz yükseliş-yükseliş sıralamasında çapraz yükseliş bağlantı açısını çok yükselterek pratikte tilt-yanca-yükseliş denen kombinasyona da geçilebiliyor. Her üç dizilimde de kendine göre avantajlar ve dezavantajlar bulunduğundan uygulamaya göre karar vererek ve hangi kazanımların elde edileceği göz önüne alınarak optimum çözüme ulaşılmaya çalışılıyor.
MALZEME SEÇİMİ VE ETKİLERİ
Her yapıda olduğu gibi stabilize antenlerde de çeşitli malzeme alternatifleri kullanılabiliyor. Çeşitli metallerin kullanım imkânı olduğu gibi hafiflik ve mukavemet gereken durumlarda kompozit malzemeler de kendine yer buluyor.
Radomlarda ise durum farklı. Bu yapı hem dış çevre koşullarından sistemi korumakla hem de çalışma frekansında radyo dalgalarını geçirmekle sorumlu olduğu için özel malzeme kullanımını gerektiriyor. En başlıca özelliği, iletken olmayan bir malzeme ile üretilmesi gerekliliği. Tüm sistemi çevre koşullarından koruma görevini de üstlendiği için rüzgâr yüküne, sıcaklık değişimlerine ve bozucu etkilere karşı da dayanıklı olmalı.
Bunların hepsi malzeme bilimi konusunda Ar-Ge gereksinimi olarak karşımıza çıkıyor. Farklı frekanslarda çalışan stabilize anten sistemlerinde RF geçirgenliğin parametreleri de değişiyor ve bu da farklı alt malzemelerle çalışmayı gerektiriyor. Bu çalışma, farklı ekiplerin malzemeleri kendi açısından değerlendirerek onay vermesine kadar sürüyor.
ÇALIŞMA SENARYOLARI
Dünya üzerinde bir yerde bulunan anten terminalinin uyduyu görebilmesi için neler gerekiyor ve nasıl hesaplanıyor?
Öncelikle, antenin uyduyu görebileceği yöne bakabilmesi gerekiyor. Bunu yapabilmenin farklı yöntemleri bulunuyor. Arama ya da tarama olarak adlandırabileceğimiz yöntemde, anten mekanik hareketler ile uydu referans sinyalini bulmaya çalışabiliyor. Ancak, anten reflektör boyutuna bağlı olarak değişse de uydu referans sinyali ilgili eksenlerde dar bir aralıkta görülebiliyor. Bu da uzun süren arama hareketlerine ve anten sistemlerinin hareketli platformlarda kullanıldığı da göz önüne alındığında sonuçlanamayan arama hareketlerine sebep olabiliyor. Aramada kullanılan parametrelerin azaltılması ile bu süreler kısaltılabiliyor veya başarıya ulaşması sağlanabiliyor. Örneğin terminalin bulunduğu GPS koordinatları girilebiliyor veya eksenlere tarama aralığı belirlenebiliyor.
Anten kör bakış ile başlayıp aramak yerine, bakış hattının eksen konumları için yönelim hesaplamasını yaparak da uyduya yönlenebilir. Öncelikle yönelim vektörünün hesaplanması ve bu hesap sonucunda kullanılan anten eksen konfigürasyonuna göre ilgili eksenlerin yönelim açı değerlerinin elde edilmesi gerekiyor. Bu da antenin ve uydunun GPS konumları ile algılayıcı verileri kullanılarak matematiksel işlemler sonucunda elde edilebiliyor. Böylece anten bakış hattı hızlıca ve etkin bir şekilde uyduya yönlenebiliyor.
TAKİP YAKLAŞIMLARI
Stabilize antenler dar hüzmeye sahip oldukları için bakış hatlarının hatalı yönlendirilmesi performanslarını büyük oranda etkiliyor. Ayrıca haberleşme uydularının uzaydaki yerleşimleri oldukça yakın olduğu için antenlerin hatalı yönelimleri diğer uyduların haberleşme performanslarını olumsuz etkileyebiliyor. Bu sebeple, stabilize antenlerin en temel ve olmazsa olmaz özelliği yüksek hassasiyet ile uyduya bakabilmek.
Yüksek performans beklentisi olan bu sistemlerin aynı zamanda maliyet etkin, kompakt ve mobil bir sistem olması gerekiyor. Tasarlanan hareket kontrolcüsünün performansı ne kadar yüksek de olsa anten bakış hattının uyduyu iyi görebilmesini sağlamak için yeterli olmuyor. Yönelim hassasiyetini etkileyebilecek faktörler arasında kullanılan algılayıcıların hassasiyeti ve gürültü seviyeleri, mekanik parçaların boyutsal ve montaj hizalama hataları yer alıyor. Bu sorunun çözümü ve mükemmele yakın yönelim için uyduya geri beslemeli yönelim yapılması gerekiyor.
Uydu tarafından yayını yapılan referans sinyalinin geri besleme döngülerinde kullanılarak, uyduya bakışın iyileştirilmesi takip olarak adlandırılıyor. Uydu takibi, yazılım ya da donanım tabanlı yapılabiliyor.
Donanım tabanlı takip ile daha hızlı ve çok daha hassas yönelim yapılabiliyor. Ancak, bu takip yöntemi radyo frekansı algılama hattının karmaşıklaşmasına, büyümesine ve bununla birlikte ağırlaşıp maliyet etkinliğini kaybeden çözümler ortaya çıkmasına sebep oluyor. Bu yüzden, bu yöntem sabit yer antenleri için daha uygun ve tercih sebebi olmakla birlikte, stabilize anten gibi mobil sistemler için dezavantajlı oluyor. Algoritma tabanlı sinyal arttırım teknikleri ile uydu takibinin yapılması özellikle son yıllarda öne çıkan yöntem olarak kullanılıyor. Bu algoritmalar sayesinde uydu yönelim hassasiyeti yüksek oranda artırılabiliyor.
ETKİLEŞİMDE BULUNULAN BİRİMLER
Stabilize antenler çalışma senaryoları itibarıyla pek çok yan cihazla da bir arada çalışmalı. Modem, Low Noise Block Converter (LNB), Block Up Converter (BUC), İşaret Sinyali Alıcı gibi birimlerin birbirleri ve stabilize antenle uyumlu çalışması sistem performansını arttırıyor. Bu sebeple, bu ilişkiler en baştan göz önünde bulundurularak sistem kurgulanıyor.
SONUÇ
Uydu iletişiminin gün geçtikçe artmasıyla bu sistemleri hareketli platformlarda kullanma arzusu artıyor. Bunun sonucu olarak performans beklentisi de artıyor. Bu sebeple, pazardan daha fazla pay almak için ürünlerin daha hızlı, daha verimli, daha hafif ve küçük, daha ucuz olması hedefleniyor. ASELSAN da gittikçe genişleyen ürün yelpazesi ile bu pazarda kendine yer buluyor.
