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

Low cost underwater acoustic localization

Over the course of the last decade, the cost of marine robotic platforms has significantly decreased. In part this has lowered the barriers to entry of exploring and monitoring larger areas of the earth's oceans. However, these advances have been mostly focused on autonomous surface vehicles (ASVs) or shallow water autonomous underwater vehicles (AUVs). One of the main drivers for high cost in the deep water domain is the challenge of localizing such vehicles using acoustics. A low cost one-way travel time underwater ranging system is proposed to assist in localizing deep water submersibles. The system consists of location aware anchor buoys at the surface and underwater nodes. This paper presents a comparison of methods together with details on the physical implementation to allow its integration into a deep sea micro AUV currently in development. Additional simulation results show error reductions by a factor of three.Comment: 73rd Meeting of the Acoustical Society of Americ

Adaptive sampling in autonomous marine sensor networks

Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the Massachusetts Institute of Technology and the Woods Hole Oceanographic Institution June 2006In this thesis, an innovative architecture for real-time adaptive and cooperative control of autonomous sensor platforms in a marine sensor network is described in the context of the autonomous oceanographic network scenario. This architecture has three major components, an intelligent, logical sensor that provides high-level environmental state information to a behavior-based autonomous vehicle control system, a new approach to behavior-based control of autonomous vehicles using multiple objective functions that allows reactive control in complex environments with multiple constraints, and an approach to cooperative robotics that is a hybrid between the swarm cooperation and intentional cooperation approaches. The mobility of the sensor platforms is a key advantage of this strategy, allowing dynamic optimization of the sensor locations with respect to the classification or localization of a process of interest including processes which can be time varying, not spatially isotropic and for which action is required in real-time. Experimental results are presented for a 2-D target tracking application in which fully autonomous surface craft using simulated bearing sensors acquire and track a moving target in open water. In the first example, a single sensor vehicle adaptively tracks a target while simultaneously relaying the estimated track to a second vehicle acting as a classification platform. In the second example, two spatially distributed sensor vehicles adaptively track a moving target by fusing their sensor information to form a single target track estimate. In both cases the goal is to adapt the platform motion to minimize the uncertainty of the target track parameter estimates. The link between the sensor platform motion and the target track estimate uncertainty is fully derived and this information is used to develop the behaviors for the sensor platform control system. The experimental results clearly illustrate the significant processing gain that spatially distributed sensors can achieve over a single sensor when observing a dynamic phenomenon as well as the viability of behavior-based control for dealing with uncertainty in complex situations in marine sensor networks.Supported by the Office of Naval Research, with a 3-year National Defense Science and Engineering Grant Fellowship and research assistantships through the Generic Ocean Array Technology Sonar (GOATS) project, contract N00014-97-1-0202 and contract N00014-05-G-0106 Delivery Order 008, PLUSNET: Persistent Littoral Undersea Surveillance Network

ISME activity on the use of autonomous surface and underwater vehicles for acoustic surveys at sea

The paper presents an overview of the recent and ongoing research activities of the Italian Interuniversity Center on Integrated Systems for the Marine Environment (ISME) in the field of geotechnical seismic surveying. Such activities, performed in the framework of the H2020 European project WiMUST, include the development of technologies and algorithms for Autonomous Surface Crafts and Autonomous Underwater Vehicles to perform geotechnical seismic surveying by means of a team of robots towing streamers equipped with acoustic sensors

Experimental Results in Synchronous-Clock One-Way-Travel-Time Acoustic Navigation for Autonomous Underwater Vehicles

This paper reports recent experimental results in the development and deployment of a synchronous-clock acoustic navigation system suitable for the simultaneous navigation of multiple underwater vehicles. The goal of this work is to enable the task of navigating multiple autonomous underwater vehicles (AUVs) over length scales of O(100 km), while maintaining error tolerances commensurate with conventional long-baseline transponder-based navigation systems (i.e., O(1 m)), but without the requisite need for deploying, calibrating, and recovering seafloor anchored acoustic transponders. Our navigation system is comprised of an acoustic modem-based communication/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 pseudo-range measurement and ephemeris data. We present results for two different field experiments using a two-node configuration consisting of a global positioning system (GPS) equipped surface ship acting as a global navigation aid to a Doppler-aided AUV. In each experiment, vehicle position was independently corroborated by other standard navigation means. Initial results for a maximum-likelihood sensor fusion framework are reported.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/86032/1/reustice-20.pd

Synchronous-clock range-angle relative acoustic navigation: a unified approach to multi-AUV localization, command, control, and coordination

© The Author(s), 2022. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in Rypkema, N., Schmidt, H., & Fischell, E. Synchronous-clock range-angle relative acoustic navigation: a unified approach to multi-AUV localization, command, control, and coordination. Journal of Field Robotics, 2(1), (2022): 774–806, https://doi.org/10.55417/fr.2022026.This paper presents a scalable acoustic navigation approach for the unified command, control, and coordination of multiple autonomous underwater vehicles (AUVs). Existing multi-AUV operations typically achieve coordination manually by programming individual vehicles on the surface via radio communications, which becomes impractical with large vehicle numbers; or they require bi-directional intervehicle acoustic communications to achieve limited coordination when submerged, with limited scalability due to the physical properties of the acoustic channel. Our approach utilizes a single, periodically broadcasting beacon acting as a navigation reference for the group of AUVs, each of which carries a chip-scale atomic clock and fixed ultrashort baseline array of acoustic receivers. One-way travel-time from synchronized clocks and time-delays between signals received by each array element allow any number of vehicles within receive distance to determine range, angle, and thus determine their relative position to the beacon. The operator can command different vehicle behaviors by selecting between broadcast signals from a predetermined set, while coordination between AUVs is achieved without intervehicle communication by defining individual vehicle behaviors within the context of the group. Vehicle behaviors are designed within a beacon-centric moving frame of reference, allowing the operator to control the absolute position of the AUV group by repositioning the navigation beacon to survey the area of interest. Multiple deployments with a fleet of three miniature, low-cost SandShark AUVs performing closed-loop acoustic navigation in real-time provide experimental results validated against a secondary long-baseline positioning system, demonstrating the capabilities and robustness of our approach with real-world data.This work was partially supported by the Office of Naval Research, the Defense Advanced Research Projects Agency, Lincoln Laboratory, and the Reuben F. and Elizabeth B. Richards Endowed Funds at WHOI

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 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