Color Filtering Localization for Three-Dimensional Underwater Acoustic Sensor Networks

Accurate localization for mobile nodes has been an important and fundamental problem in underwater acoustic sensor networks (UASNs). The detection information returned from a mobile node is meaningful only if its location is known. In this paper, we propose two localization algorithms based on color filtering technology called PCFL and ACFL. PCFL and ACFL aim at collaboratively accomplishing accurate localization of underwater mobile nodes with minimum energy expenditure. They both adopt the overlapping signal region of task anchors which can communicate with the mobile node directly as the current sampling area. PCFL employs the projected distances between each of the task projections and the mobile node, while ACFL adopts the direct distance between each of the task anchors and the mobile node. Also the proportion factor of distance is proposed to weight the RGB values. By comparing the nearness degrees of the RGB sequences between the samples and the mobile node, samples can be filtered out. And the normalized nearness degrees are considered as the weighted standards to calculate coordinates of the mobile nodes. The simulation results show that the proposed methods have excellent localization performance and can timely localize the mobile node. The average localization error of PCFL can decline by about 30.4% than the AFLA method.Comment: 18 pages, 11 figures, 2 table

Perturbation Propagation Models for Underwater Sensor Localisation using Semidefinite Programming

Real time Underwater sensor networks (UWSNs) suffer from localisation issues due to a dearth of incorporation of different geometric scenarios in UWSN scenarios. To address these issues, this paper visualises three specific scenarios of perturbation. First, small sized and large numbered particles of perturbance moving in a tangential motion to the sensor nodes; second, a single numbered and large-sized particle moving in a rectilinear motion by displacing the sensor nodes into sideward and forward direction, and third, a radially outward propagating perturbance to observe the influenced sensor nodes as the perturbance moves outwards. A novel target localisation and tracking is facilitated by including marine vehicle navigation as a source of perturbation. Using semidefinite programming, the proposed perturbation models minimise localisation errors, thereby enhancing physical security of underwater sensor nodes. By leveraging the spin, cleaving motion and radial cast-away behaviour of underwater sensor nodes, the results confirm that the proposed propagation models can be conveniently applied to real time target detection and estimation of underwater target nodes

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

A Reverse Localization Scheme for Underwater Acoustic Sensor Networks

Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs) provide new opportunities to observe and predict the behavior of aquatic environments. In some applications like target tracking or disaster prevention, sensed data is meaningless without location information. In this paper, we propose a novel 3D centralized, localization scheme for mobile underwater wireless sensor network, named Reverse Localization Scheme or RLS in short. RLS is an event-driven localization method triggered by detector sensors for launching localization process. RLS is suitable for surveillance applications that require very fast reactions to events and could report the location of the occurrence. In this method, mobile sensor nodes report the event toward the surface anchors as soon as they detect it. They do not require waiting to receive location information from anchors. Simulation results confirm that the proposed scheme improves the energy efficiency and reduces significantly localization response time with a proper level of accuracy in terms of mobility model of water currents. Major contributions of this method lie on reducing the numbers of message exchange for localization, saving the energy and decreasing the average localization response time

Underwater localization and node mobility estimation

In this paper, localizing a moving node in the context of underwater wireless sensor networks (UWSNs) is considered. Most existing algorithms have had designed to work with a static node in the networks. However, in practical case, the node is dynamic due to relative motion between the transmitter and receiver. The main idea is to record the time of arrival message (ToA) stamp and estimating the drift in the sampling frequency accordingly. It should be emphasized that, the channel conditions such as multipath and delay spread, and ambient noise is considered to make the system pragmatic. A joint prediction of the node mobility and speed are estimated based on the sampling frequency offset estimation. This sampling frequency offset drift is detected based on correlating an anticipated window in the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) of the received packet. The range and the distance of the mobile node is predicted from estimating the speed at the received packet and reused in the position estimation algorithm. The underwater acoustic channel is considered in this paper with 8 paths and maximum delay spread of 48 ms to simulate a pragmatic case. The performance is evaluated by adopting different nodes speeds in the simulation in two scenarios of expansion and compression. The results show that the proposed algorithm has a stable profile in the presence of severe channel conditions. Also, the result shows that the maximum speed that can be adopted in this algorithm is 9 km/h and the expansion case profile is more stable than the compression scenario. In addition, a comparison with a dynamic triangular algorithm (DTN) is presented in order to evaluate the proposed system

Wireless Sensor Networks for Underwater Localization: A Survey

Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) have widely deployed in marine investigation and ocean exploration in recent years. As the fundamental information, their position information is not only for data validity but also for many real-world applications. Therefore, it is critical for the AUV to have the underwater localization capability. This report is mainly devoted to outline the recent advance- ment of Wireless Sensor Networks (WSN) based underwater localization. Several classic architectures designed for Underwater Acoustic Sensor Network (UASN) are brie y introduced. Acoustic propa- gation and channel models are described and several ranging techniques are then explained. Many state-of-the-art underwater localization algorithms are introduced, followed by the outline of some existing underwater localization systems