An Acoustic Network Navigation System

This work describes a system for acoustic‐based navigation that relies on the addition of localization services to underwater networks. The localization capability has been added on top of an existing network, without imposing constraints on its structure/operation. The approach is based on the inclusion of timing information within acoustic messages through which it is possible to know the time of an acoustic transmission in relation to its reception. Exploiting such information at the network application level makes it possible to create an interrogation scheme similar to that of a long baseline. The advantage is that the nodes/autonomous underwater vehicles (AUVs) themselves become the transponders of a network baseline, and hence there is no need for dedicated instrumentation. The paper reports at sea results obtained from the COLLAB–NGAS14 experimental campaign. During the sea trial, the approach was implemented within an operational network in different configurations to support the navigation of the two Centre for Maritime Research and Experimentation Ocean Explorer (CMRE OEX) vehicles. The obtained results demonstrate that it is possible to support AUV navigation without constraining the network design and with a minimum communication overhead. Alternative solutions (e.g., synchronized clocks or two‐way‐travel‐time interrogations) might provide higher precision or accuracy, but they come at the cost of impacting on the network design and/or on the interrogation strategies. Results are discussed, and the performance achieved at sea demonstrates the viability to use the system in real, large‐scale operations involving multiple AUVs. These results represent a step toward location‐aware underwater networks that are able to provide node localization as a service

Synchronous-Clock, One-Way-Travel-Time Acoustic Navigation for Underwater Vehicles

This paper reports the development and deployment of a synchronous-clock acoustic navigation system suitable for the simultaneous navigation of multiple underwater vehicles. Our navigation system is composed of an acoustic modem–based communication and navigation system that allows for onboard navigational data to be broadcast as a data packet by a source node and for all passively receiving nodes to be able to decode the data packet to obtain a one-way-travel-time (OWTT) pseudo-range measurement and navigational ephemeris data. The navigation method reported herein uses a surface ship acting as a single moving reference beacon to a fleet of passively listening underwater vehicles. All vehicles within acoustic range are able to concurrently measure their slant range to the reference beacon using the OWTT measurement methodology and additionally receive transmission of reference beacon position using the modem data packet. The advantages of this type of navigation system are that it can (i) concurrently navigate multiple underwater vehicles within the vicinity of the surface ship and (ii) provide a bounded-error XY position measure that is commensurate with conventional moored long-baseline (LBL) navigation systems [i.e., ] but unlike LBL is not geographically restricted to a fixed-beacon network. We present results for two different field experiments using a two-node configuration consisting of a global positioning system–equipped surface ship acting as a global navigation aid to a Doppler-aided autonomous underwater vehicle. In each experiment, vehicle position was independently corroborated by other standard navigation means. Results for a maximum likelihood sensor fusion framework are reported.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/86046/1/reustice-2.pd

Underwater Positioning System Based on Drifting Buoys and Acoustic Modems

GNSS (Global Navigation Satellite System) positioning is not available underwater due to the very short range of electromagnetic waves in the sea water medium. In this article a LBL (Long Base Line) acoustic repeater system of the GNSS positioning is presented. The system is hyperbolic, i.e., based on time differences and it does not need very accurate atomic clocks to synchronize repeaters. The system architecture and system calculations that demonstrate the feasibility of the solution are presented. The system uses four buoys that sequentially transmit their position and the time of the instant of transmission, for which they are equipped with GNSS receivers and acoustic modems. The buoys can be fixed or even drifting, but they are inexpensive devices, which pose no hazard to navigation and can be easily and quickly deployed for a specific underwater mission. The multilateration algorithm used in the receiver is presented. To simplify the algorithm, the depth of the receiver, measured by a depth sensor, is used. Results are presented for the position error of an underwater vehicle due to its displacement during the transmission frame of the four buoys.Funding for open access charge: Universidad de Málag

Guidance for benthic habitat mapping: an aerial photographic approach

This document, Guidance for Benthic Habitat Mapping: An Aerial Photographic Approach, describes proven technology that can be applied in an operational manner by state-level scientists and resource managers. This information is based on the experience gained by NOAA Coastal Services Center staff and state-level cooperators in the production of a series of benthic habitat data sets in Delaware, Florida, Maine, Massachusetts, New York, Rhode Island, the Virgin Islands, and Washington, as well as during Center-sponsored workshops on coral remote sensing and seagrass and aquatic habitat assessment. (PDF contains 39 pages) The original benthic habitat document, NOAA Coastal Change Analysis Program (C-CAP): Guidance for Regional Implementation (Dobson et al.), was published by the Department of Commerce in 1995. That document summarized procedures that were to be used by scientists throughout the United States to develop consistent and reliable coastal land cover and benthic habitat information. Advances in technology and new methodologies for generating these data created the need for this updated report, which builds upon the foundation of its predecessor

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

Underwater Acoustic Localization with Applications to Multiuser Communications

Multiuser underwater acoustic communications (UACs) have gained attention because of a number of applications. To assess the performance of multiuser UACs and reduce the cost of experiments, simulations of the signal transmission are used. However, the existing underwater signal transmission simulators suffer from complexity and signal length limitation when investigating multiuser UACs. Therefore, it is useful to develop a signal transmission simulator for UACs. To improve the performance and bandwidth efficiency of multi-user systems, arrays can be used at the transmitter with transmit beamforming, which require the channel state information (CSI) available at the receiver to be sent as a feedback message to the transmitter. A long feedback message in UAC is a waste of the throughput and sometimes impractical. Therefore, it is important to develop an advanced transmit beamforming method for the multiple transmit sensor array systems. In this thesis, an underwater channel simulator based on acoustic field computation is proposed. We pre-compute and store the acoustic field in the investigation area, thus speeding up the computation whilst maintaining the performance. Based on this, an underwater receiver localization method is then proposed. In the localization, the CSIs at specific points in the investigation area are pre-computed and compared with the CSI measured at the receiver, thus the position of the receiver is estimated as the point with the best match. It offers a more practical solution to the underwater localization problem. A receiver trajectory estimation technique combining the proposed localization and smoothing approach is also proposed to reduce the cost of infrastructure, and it can be applied in a two-dimensional plane and a three-dimensional space. An advanced beamforming technique is introduced in the transmitter design based on the proposed localization technique. It offers accurate detection performance and the length of the feedback message is reduced significantly