Acil ve afet anında kablo güdümlü alçak irtifa hava platformunun haberleşme amaçlı kullanımının değerlendirmesi

Abstract

Sel taşkınları, kasırgalar ve depremler gibi doğal afetler yeryüzünde birçok ülkede yaşanan gerçekliktir. Son 20 yılda ortalama gözlemlenen yeryüzünde ki doğal afet sayısı ikiye katlamıştır. Afet sayısındaki artış, arama kurtarma çalışmalarında gerek arama kurtarma ekiplerinin gerekse afet zedelerin kullanımına yönelik teknolojilerde artış yaşanmıştır. Afet sonrası haberleşmenin sürekliliğini sağlayacak sistemler en önemli ihtiyaçlardan biri olmuştur [1]. Acil ve afet durumunda ilk 24 saat çok önemlidir. Krizin doğru yönetilmesi, arama kurtarma ekiplerinin koordinasyonu, afetzedenin ihtiyaçlarının temin edilebilmesi ve taleplerini yardım ekiplerine iletebilmesi için haberleşmenin sürekliliği en önemli gereksinimdir. Bu felaketler sebebiyle haberleşme alt yapısının tamamen çöktüğü Sandy ve Irma kasırgaları bunun acı bir örneğidir [2]. Afet alanında haberleşme alt yapısının zarar görme, yetersiz kalma ya da olmama ihtimaline karşı devreye alınacak haberleşme platformunun hızlı bir şekilde oluşturulması gerekmektedir. Acil ve afet durumu haberleşme gereksinimleri göz önünde bulundurulduğunda, haberleşme platformunun sisteme alınabilme hızı, sisteme alınan platforma kullanıcı tarafından erişim kolaylığı ve uygun bir lokasyona mobil bir şekilde konuşlandırılan platformun kapsama alanının geniş olması en önemli parametrelerdir. Bu parametreler değerlendirilerek acil ve afet durumunda haberleşme platformlarının karar matrisi analizi yapılarak en uygun platformun kablo güdümlü hava platformu olabileceği tahmini yürütülmüştür.Kablosuz haberleşmenin sağlandığı platform üzerindeki baz istasyonunun iletişim ağı hesabında ve hücre planlanmasının oluşturulmasında yol kaybının tahmini çok önemlidir. Yurtiçi operatörlerin 900-1800 Mhz çalışma frekansındaki haberleşme görev yükü olan baz istasyonunun çevre, yüzey şekilleri ve yapı yüksekliğinden kaynaklanan sinyal yol kayıplarını yenmek için Okumura-Hata ve Cost231 yol kaybı hesabı metotları değerlendirilerek baz istasyonunun çalışabileceği en efektif irtifa belirlenmiştir. Bu irtifada çalışacak baz istasyonu görev yüküne göre kablo güdümlü hava platformunun optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon minimum gövde hacmi için; gövde ve halat materyali dayanımları, sistemin sürekli, sürdürülebilir ve stabil olarak işletilebilmesi için minimum alt sistemleri, irtifadaki çevre koşullarını ve sistemle olan etkileşimini içermektedir.Bunun yanında havadan hafif yapıların teorisi, gövde üzerine binen aerostatik ve aerodinamik yükler, görev irtifasındaki çevre koşullarının tahmini, gövde şekil tasarımları, gövde - halat üretiminde kullanılan materyal özellikleri ve kablo güdümlü hava platformu alt sistemleri değerlendirilmiştir. Haberleşme tarafında ise GSM mimarisi ve baz istasyonu alt sistemleri, kapsama alanı hücre tipleri, LOS ve NLOS hesabı, yol kaybı ve link bütçesi modelleri üzerinde araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Baz istasyonu ve alt sistemlerin ağırlıklarına göre kablo güdümlü hava platformunun oluşturulabilmesi için gerekli olan irtifanın belirlenmesi gerekmektedir. Gövde ve halat Materyali dayanımları üzerine gelişmeler, kablo güdümlü hava platformunun sürdürülebilir, sürekli ve stabil olarak kullanılmasına sebebiyet vermiştir. Kablo güdümlü hava platformunun sistem dinamikleri, güncel materyaller ile yapılan üretim teknikler, kavramsal ve yapısal tasarımı üzerine çalışma yapılmıştır.

Natural disasters such as floods, hurricanes and earthquakes are a reality in many countries on earth. The average number of natural disasters observed on earth has doubled in the last 20 years. Increase in the number of disasters, there has been an increase in technologies for the use of both search and rescue teams and disaster victims in search and rescue activities. Systems to ensure continuity of post-disaster communication has been one of the most important needs [1]. The first 24 hours is very important in case of emergency and disaster. The most important requirement is the proper management of the crisis, the coordination of search and rescue teams, the provision of the needs of the disaster victim and the continuity of communication in order to communicate their requests to the relief teams. Sandy and Irma hurricanes, where the communication infrastructure has completely collapsed due to these disasters, are a painful example of this [2]. In case of damage, insufficiency or lack of communication infrastructure in the disaster area, the communication platform to be commissioned should be established quickly.The speed at which the communication platform can be taken into the system, the ease of access by the user to the platform taken into the system and the wide coverage area of the platform deployed to an appropriate location in a mobile way are the most important parameters when considering the emergency and disaster situation communication requirements. By evaluating these parameters, decision matrix analysis of communication platforms in case of emergency and disaster was carried out and it was estimated that the most suitable platform could be a tether-guided air platform.Tether-guided platforms are mainly used to enhance the detection range and coverage area capability of the remote sensing sensor or communication payload. It can be designed in different volumes and sizes according to the required lifting capacity. The altitude of the body providing aerostatic lifting is controlled with the help of rope. The energy required for the payload is provided by the cable in the rope. Advanced cable designs enable data transfer as well as energy transfer.It is used for ground observation and surveillance with remote sensing sensors such as radar, camera and lidar. It is also used for communication with useful loads such as base station, communication relay.The body shapes are designed to maximize lifting while keeping drag as low as possible against the wind. Spherical, ellipsoidal and streamlined geometry designs are the most commonly used body shapes. The hull is equipped with a rudder to direct the wind, wings and aerofoils attached to the hull or tail in order to minimize structural vibrations and unwanted oscillations and to provide stabilization.The design of many lighter than air structures is based on the minimum volume principle. Minimum volume principle; It is a design made according to duty altitude, payload weight and amount of energy it needs. The energy requirement and data transfer capacity determine the cross-section and strength characteristics of the cable in the rope. The first step in applying the minimum volume principle is to limit the altitude at which the cable-guided aerial platform will work. Excess lifting capacity makes the maintenance and sustainability of the system more difficult. Because the volume of the trunk will increase, the internal and external loads to be exposed at altitude will be high. At increased wind speeds, drag in the hull will cause discontinuity of the system. It is very important to limit altitude for these reasons. Body and rope design is realized for payload weight and energy requirement by limiting altitude.The estimation of path loss is very important in the network account of the base station on the platform where wireless communication is provided and in the formation of cell planning. The most effective altitude to which the base station can work was determined by evaluating the Okumura-Hata and Cost231 path loss calculation methods in order to overcome the signal path losses caused by the environment, surface shapes and structure height of the base station that is the communication payload of the domestic operators at 900-1800 MHz frequency.The optimization of the tether guided air platform was carried out according to the payload of the base station at this altitude. For minimum body volume at optimization consist of body and rope material strengths, minimum subsystems for endurance, sustainable and stable operation of the system, altitude environmental conditions and interaction with the system.In addition, the theory of lightweight structures, aerostatic and aerodynamic loads on the body, estimation of environmental conditions at duty altitude, body shape designs, material properties used in body and rope production, tether guided aerial platform subsystems were evaluated.On the communication side, research has been carried out on GSM architecture and base station subsystems, coverage cell types, LOS and NLOS calculation, road loss and link budget models. The altitude required for establishing a tether guided aerial platform should be determined according to the weight of the base station and subsystems.For this purpose, cable-guided air platform decided in case of emergency and disaster;•It can be included in the communication network in a very short time,•Ease of mobile deployment by integrating subsystems on vehicles such as vans and trailers,•Provides a wide coverage area where terrestrial disturbances are minimum compared to fixed and mobile terrestrial base station systems,•Uninterrupted supply of energy requirements and data transfer requirements for the payload via cable,•Direct access to mobile telephones without the need for extra technology or interfaces for the user to join the network,It is expected to provide an advantage over other platforms in terms of providing the general needs of emergency and disaster communication.Advances on the strength of the hull and rope material have led to the sustainable, continuous and stable use of the tether guided aerial platform. System dynamics of tether guided aerial platform, production techniques made with current materials, conceptual and structural design were studied.