Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Wireless Sensor Networks

The aim of this book is to present few important issues of WSNs, from the application, design and technology points of view. The book highlights power efficient design issues related to wireless sensor networks, the existing WSN applications, and discusses the research efforts being undertaken in this field which put the reader in good pace to be able to understand more advanced research and make a contribution in this field for themselves. It is believed that this book serves as a comprehensive reference for graduate and undergraduate senior students who seek to learn latest development in wireless sensor networks

A Hybrid Sonar Algorithm for Submersible Cars to Verify the Location of Senders

In military applications, underwater vehicles do not communicate with each other. They use sonar systems to detect enemy vehicles that are trying hard not to make any sound or noise. In autonomous/unmanned underwater vehicles (AUVs, UUVs), sonar systems are usually employed to detect or avoid underwater obstacles. With the emergence of sQuba, a new breed of car that can be driven both on land and underwater, we explore a new sonar problem. How can an underwater moving vehicle verify the location of senders? As conventional sonar techniques are not appropriate for our purpose, we present a hybrid sonar algorithm that can help underwater vehicles locate target vehicles.X111sciescopu

Introduction to modern instrumentation: for hydraulics and environmental sciences

Preface Natural hazards and anthropic activities threaten the quality of the environment surrounding the human being, risking life and health. Among the different actions that must be taken to control the quality of the environment, the gathering of field data is a basic one. In order to obtain the needed data for environmental research, a great variety of new instruments based on electronics is used by professionals and researchers. Sometimes, the potentials and limitations of this new instrumentation remain somewhat unknown to the possible users. In order to better utilize modern instruments it is very important to understand how they work, avoiding misinterpretation of results. All instrument operators must gain proper insight into the working principles of their tools, because this internal view permits them to judge whether the instrument is appropriately selected and adequately functioning. Frequently, manufacturers have a tendency to show the great performances of their products without advising their customers that some characteristics are mutually exclusive. Car manufacturers usually show the maximum velocity that a model can reach and also the minimum fuel consumption. It is obvious for the buyer that both performances are mutually exclusive, but it is not so clear for buyers of measuring instruments. This book attempts to make clear some performances that are not easy to understand to those uninitiated in the utilization of electronic instruments. Technological changes that have occurred in the last few decades are not yet reflected in academic literature and courses; this material is the result of a course prepared with the purpose of reducing this shortage. The content of this book is intended for students of hydrology, hydraulics, oceanography, meteorology and environmental sciences. Most of the new instruments presented in the book are based on electronics, special physics principles and signal processing; therefore, basic concepts on these subjects are introduced in the first chapters (Chapters 1 to 3) with the hope that they serve as a complete, yet easy-to-digest beginning. Because of this review of concepts it is not necessary that the reader have previous information on electronics, electricity or particular physical principles to understand the topics developed later. Those readers with a solid understanding of these subjects could skip these chapters; however they are included because some students could find them as a useful synthesis. Chapter 4 is completely dedicated to the description of transducers and sensors frequently used in environmental sciences. It is described how electrical devices are modified by external parameters in order to become sensors. Also an introduction to oscillators is presented because they are used in most instruments. In the next chapters all the information presented here is recurrently referred to as needed to explain operating principles of instruments. Unauthenticated Download Date | 10/12/14 9:29 PM VIII Preface Chapters 1 to 4 are bitter pills that could discourage readers interested in the description of specific instruments. Perhaps, those readers trying this book from the beginning could abandon it before arriving at the most interesting chapters. Therefore, they could read directly Chapters 5 to 11, going back as they feel that they need the knowledge of the previous chapters. We intended to make clear all the references to the previous subjects needed to understand each one of the issues developed in the later chapters. Chapter 5 contributes to the understanding of modern instrumentation to measure flow in industrial and field conditions. Traditional mechanical meters are avoided to focus the attention on electronic ones, such as vortex, electromagnetic, acoustic, thermal, and Coriolis flowmeters. Special attention is dedicated to acoustic Doppler current profilers and acoustic Doppler velocimeters. Chapter 6 deals with two great subjects; the first is devoted to instruments for measuring dynamic and quasi static levels in liquids, mainly water. Methods to measure waves at sea and in the laboratory are explained, as well as instruments to measure slow changes such as tides or piezometric heads for hydrologic applications. The second subject includes groundwater measurement methods with emphasis on very low velocity flowmeters which measure velocity from inside a single borehole. Most of them are relatively new methods and some are based on operating principles described in the previous chapter. Seepage meters used to measure submarine groundwater discharge are also presented. Chapter 7 presents methods and instruments for measuring rain, wind and solar radiation. Even though the attention is centered on new methods, some traditional methods are described not only because they are still in use, and it is not yet clear if the new technologies will definitely replace them, but also because describing them permits their limitations and drawbacks to be better understood. Methods to measure solar radiation are described from radiation detectors to complete instruments for total radiation and radiation spectrum measurements. Chapter 8 is a long chapter where we have tried to include most remote measuring systems useful for environmental studies. It begins with a technique called DTS (Distributed Temperature Sensing) that has the particularity of being remote, but where the electromagnetic wave propagates inside a fibre optic. The chapter follows with atmosphere wind profilers using acoustic and electromagnetic waves. Radio acoustic sounding systems used to get atmospheric temperature profiles are explained in detail as well as weather radar. Methods for ocean surface currents monitoring are also introduced. The chapter ends with ground penetrating radars. Chapter 9 is an introduction to digital transmission and storage of information. This subject has been reduced to applications where information collected by field instruments has to be conveyed to a central station where it is processed and stored. Some insight into networks of instruments is developed; we think this information will help readers to select which method to use to transport information from field to office, by means of such diverse communication media as fibre optic, digital telephony, Unauthenticated Download Date | 10/12/14 9:29 PM Preface IX GSM (Global System for Mobile communications), satellite communications and private radio frequency links. Chapter 10 is devoted to satellite-based remote sensing. Introductory concepts such as image resolution and instrument?s scanning geometry are developed before describing how passive instruments estimate some meteorological parameters. Active instruments are presented in general, but the on-board data processing is emphasized due to its importance in the quality of the measurements. Hence, concepts like Synthetic Aperture Radar (SAR) and Chirp Radar are developed in detail. Scatterometers, altimeters and Lidar are described as applications of the on-board instruments to environmental sciences. Chapter 11 attempts to transfer some experiences in field measuring to the readers. A pair of case studies is included to encourage students to perform tests on the instruments before using them. In this chapter we try to condense our ideas, most of them already expressed throughout the book, about the attitude a researcher should have with modern instruments before and after a measuring field work. As can be inferred from the foregoing description the book aims to provide students with the necessary tools to adequately select and use instruments for environmental monitoring. Several examples are introduced to advise future professionals and researchers on how to measure properly, so as to make sure that the data recorded by the instruments actually represents the parameters they intend to know. With this purpose, instruments are explained in detail so that their measuring limitations are recognized. Within the entire work it is underlined how spatial and temporal scales, inherent to the instruments, condition the collection of data. Informal language and qualitative explanations are used, but enough mathematical fundamentals are given to allow the reader to reach a good quantitative knowledge. It is clear from the title of the book that it is a basic tool to introduce students to modern instrumentation; it is not intended for formed researchers with specific interests. However, general ideas on some measuring methods and on data acquisition concepts could be useful to them before buying an instrument or selecting a measuring method. Those readers interested in applying some particular method or instrument described in this book should consider these explanations just as an introduction to the subject; they will need to dig deeper in the specific bibliography before putting hands on.Fil: Guaraglia, Dardo Oscar. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Hidraulica. Area Hidraulica Basica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Pousa, Jorge Lorenzo. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Naturales y Museo. Laboratorio de Oceanografía Costera y Estuarios; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentin

Federal Register

Daily publication of the U.S. Office of the Federal Register contains rules and regulations, proposed legislation and rule changes, and other notices, including "Presidential proclamations and Executive Orders, Federal agency documents having general applicability and legal effect, documents required to be published by act of Congress, and other Federal agency documents of public interest" (p. ii). Table of Contents starts on page iii

Aerospace Medicine and Biology - A cumulative index to a continuing bibliography

Cumulative index for abstracts of NASA documents on aerospace medicine and biolog