Use of Navigation Beacons to Support Lunar Vehicle Operations

To support a wide variety of lunar missions in a condensed regime, solutions are needed outside of the use of Earth-based orbit determination. This research presents an alternate approach to in-situ navigation through the use of beacons, similar to that used on Earth as well as under technology development efforts. An overview of the current state of navigation aids included as well as discussion of the Lunar Node 1 payload being built at NASA/Marshall Space Flight Center. Expected navigation results of this beacon payload for planned operation from the lunar surface are provided. Applications of navigation beacons to multiple stages of the proposed human lunar landing architecture are given, with initial analysis showing performance gains from the use of this technology. This work provides a starting point for continued analysis and design, laying out the foundation of how navigation beacons can be incorporated into the architecture to enable continued analysis, design, and future expanded capability

Satellite Navigation for the Age of Autonomy

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) brought navigation to the masses. Coupled with smartphones, the blue dot in the palm of our hands has forever changed the way we interact with the world. Looking forward, cyber-physical systems such as self-driving cars and aerial mobility are pushing the limits of what localization technologies including GNSS can provide. This autonomous revolution requires a solution that supports safety-critical operation, centimeter positioning, and cyber-security for millions of users. To meet these demands, we propose a navigation service from Low Earth Orbiting (LEO) satellites which deliver precision in-part through faster motion, higher power signals for added robustness to interference, constellation autonomous integrity monitoring for integrity, and encryption / authentication for resistance to spoofing attacks. This paradigm is enabled by the 'New Space' movement, where highly capable satellites and components are now built on assembly lines and launch costs have decreased by more than tenfold. Such a ubiquitous positioning service enables a consistent and secure standard where trustworthy information can be validated and shared, extending the electronic horizon from sensor line of sight to an entire city. This enables the situational awareness needed for true safe operation to support autonomy at scale.Comment: 11 pages, 8 figures, 2020 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS

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

Advances in Decentralized Single-Beacon Acoustic Navigation for Underwater Vehicles: Theory and Simulation

This paper reports the theory and implementation of a decentralized navigation system that enables simultaneous single-beacon navigation of multiple underwater vehicles. In single-beacon navigation, each vehicle uses ranges from a single, moving reference beacon in addition to its own inertial navigation sensors to perform absolute localization and navigation. In this implementation the vehicles perform simultaneous communication and navigation using underwater acoustic modems, encoding and decoding data within the acoustic broadcast. Vehicles calculate range from the time of flight of asynchronous acoustic broadcasts from the reference beacon. Synchronous clocks on the reference beacon and the vehicles enable the measurement of one-way travel-times, whereby the time of launch of the acoustic signal at the reference beacon is encoded in the acoustic broadcast and the time of arrival of the broadcast is measured by each vehicle. The decentralized navigation algorithm, running independently on each vehicle, is implemented using the information form of the extended Kalman filter and has been previously shown to yield results that are identical to a centralized Kalman filter at the instant of each range measurement. We summarize herein the architecture and design of the acoustic communications (Acomms) system consisting of an underwater acoustic modem, synchronous clock, and the software necessary to run them, and salient results from the validation of the decentralized information filter using a simulated data set.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/86057/1/swebster-4.pd

The Global Positioning System: Global Developments and Opportunities

International Relations/Trade,

Overview and first year progress of the Widely scalable Mobile Underwater Sonar Technology H2020 project

open20siPubblicazione su rivista di contributo a Convegno -10th IFAC Conference on Control Applications in Marine Systems (CAMS2016)The Widely scalable Mobile Underwater Sonar Technology (WiMUST) project is an H2020 Research and Innovation Action funded by the European Commission. The action's main goal is to develop robotic technologies exploiting Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for geotechnical surveying and geophysical exploration. The paper briefly describes the project and its state of the art after the first year of activities.openIndiveri, Giovanni; Antonelli, Gianluca; Arrichiello, Filippo; Caffaz, Andrea; Caiti, Andrea; Casalino, Giuseppe; Volpi, Nicola Catenacci; de Jong, Ivan Bielic; De Palma, Daniela; Duarte, Henrique; Gomes, Joao Pedro; Grimsdale, Jonathan; Jesus, Sergio; Kebkal, Konstantin; Kelholt, Elbert; Pascoal, Antonio; Polani, Daniel; Pollini, Lorenzo; Simetti, Enrico; Turetta, AlessioIndiveri, Giovanni; Antonelli, Gianluca; Arrichiello, Filippo; Caffaz, Andrea; Caiti, Andrea; Casalino, Giuseppe; Volpi, Nicola Catenacci; de Jong, Ivan Bielic; De Palma, Daniela; Duarte, Henrique; Gomes, Joao Pedro; Grimsdale, Jonathan; Jesus, Sergio; Kebkal, Konstantin; Kelholt, Elbert; Pascoal, Antonio; Polani, Daniel; Pollini, Lorenzo; Simetti, Enrico; Turetta, Alessi

Satellite applications to marine geodesy

Potential use of satellites for enhancing positioning capabilities and for marine geodetic contro

The Widely scalable Mobile Underwater Sonar Technology (WiMUST) H2020 project: first year status

The Widely scalable Mobile Underwater Sonar Technology (WiMUST) project aims at developing a system of cooperative Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for geotechnical surveying and geophysical exploration. The paper reports about the first year activities and it gives an overview of the main objectives and methods. Results relative to distributed sensor array, cooperative control, mission planning, communications and preliminary experiments are summarized

Collaborative navigation as a solution for PNT applications in GNSS challenged environments: report on field trials of a joint FIG / IAG working group

PNT stands for Positioning, Navigation, and Timing. Space-based PNT refers to the capabilities enabled by GNSS, and enhanced by Ground and Space-based Augmentation Systems (GBAS and SBAS), which provide position, velocity, and timing information to an unlimited number of users around the world, allowing every user to operate in the same reference system and timing standard. Such information has become increasingly critical to the security, safety, prosperity, and overall qualityof-life of many citizens. As a result, space-based PNT is now widely recognized as an essential element of the global information infrastructure. This paper discusses the importance of the availability and continuity of PNT information, whose application, scope and significance have exploded in the past 10–15 years. A paradigm shift in the navigation solution has been observed in recent years. It has been manifested by an evolution from traditional single sensor-based solutions, to multiple sensor-based solutions and ultimately to collaborative navigation and layered sensing, using non-traditional sensors and techniques – so called signals of opportunity. A joint working group under the auspices of the International Federation of Surveyors (FIG) and the International Association of Geodesy (IAG), entitled ‘Ubiquitous Positioning Systems’ investigated the use of Collaborative Positioning (CP) through several field trials over the past four years. In this paper, the concept of CP is discussed in detail and selected results of these experiments are presented. It is demonstrated here, that CP is a viable solution if a ‘network’ or ‘neighbourhood’ of users is to be positioned / navigated together, as it increases the accuracy, integrity, availability, and continuity of the PNT information for all users

Wireless communication, identification and sensing technologies enabling integrated logistics: a study in the harbor environment

In the last decade, integrated logistics has become an important challenge in the development of wireless communication, identification and sensing technology, due to the growing complexity of logistics processes and the increasing demand for adapting systems to new requirements. The advancement of wireless technology provides a wide range of options for the maritime container terminals. Electronic devices employed in container terminals reduce the manual effort, facilitating timely information flow and enhancing control and quality of service and decision made. In this paper, we examine the technology that can be used to support integration in harbor's logistics. In the literature, most systems have been developed to address specific needs of particular harbors, but a systematic study is missing. The purpose is to provide an overview to the reader about which technology of integrated logistics can be implemented and what remains to be addressed in the future