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

Enhancement of the accuracy of single epoch positioning for long baselines with application to structure deformation monitoring

Phd ThesisUsing single-epoch GPS positioning has many advantages, especially when monitoring dynamic targets (e.g. structural movements). In this technique, errors occurring in previous epochs cannot affect the current epoch’s accuracy. However, careful processing is required. This research uses the GPS Ambiguity Search Program (GASP) single-epoch software. Resolving the phase ambiguities is essential in this technique. Some statistical ambiguity resolution functions have been introduced to estimate the best values of these ambiguities. The function inputs are the base station position, the approximate roving receiver position, and the shared GPS phase measurements at both receivers. This work investigates different GPS pseudorange solutions to find the optimal ambiguity function inputs. The noise level in an undifferenced pseudorange coordinate solution is less than in the double-differenced case; thus, using it in the ambiguity function improves the results. Regional correlation between the pseudorange-computed positioning errors exists; therefore, applying a regional filter reduces their effects. Multipath errors approximately repeat themselves every sidereal day in the case of static or quasi-static receivers and applying a sidereal filter mitigates their effects. The IGS ionospheric model reduces the effect of the ionosphere on the GPS phase measurements. Also, a local code-based ionospheric correction model can be generated. Applying these models improves the quality of the phase measurements, which leads to improvement of the ambiguity function outputs. A Kalman filter applied to the code-based ionospheric model further improves the corrected phase measurements. There is a correlation between the ambiguity function outputs’ quality and the phase measurement residuals’ . Applying a threshold filter reduces the probability of obtaining inaccurate results. Data for various baseline lengths, with synthetic displacements added, indicate that the improved GASP results are reliable for monitoring movements exceeding 10 cm for baselines up to 60 km.Aleppo University, Syria, Postgraduate Research Studentship

Scientific applications of radio and radar tracking in the space program Conference proceedings

Radar and radio tracking applications in space progra

Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves

Gravitational wave detectors are already operating at interesting sensitivity levels, and they have an upgrade path that should result in secure detections by 2014. We review the physics of gravitational waves, how they interact with detectors (bars and interferometers), and how these detectors operate. We study the most likely sources of gravitational waves and review the data analysis methods that are used to extract their signals from detector noise. Then we consider the consequences of gravitational wave detections and observations for physics, astrophysics, and cosmology.Comment: 137 pages, 16 figures, Published version <http://www.livingreviews.org/lrr-2009-2

Design study for LANDSAT-D attitude control system

The gimballed Ku-band antenna system for communication with TDRS was studied. By means of an error analysis it was demonstrated that the antenna cannot be open loop pointed to TDRS by an onboard programmer, but that an autotrack system was required. After some tradeoffs, a two-axis, azimuth-elevation type gimbal configuration was recommended for the antenna. It is shown that gimbal lock only occurs when LANDSAT-D is over water where a temporary loss of the communication link to TDRS is of no consequence. A preliminary gimbal control system design is also presented. A digital computer program was written that computes antenna gimbal angle profiles, assesses percent antenna beam interference with the solar array, and determines whether the spacecraft is over land or water, a lighted earth or a dark earth, and whether the spacecraft is in eclipse

Analytical techniques and instrumentation: A compilation

Technical information on developments in instrumentation is arranged into four sections: (1) instrumentation for analysis; (2) analysis of matter; (3) analysis of electrical and mechanical phenomena; and (4) structural analysis. Patent information for two of the instruments described is presented

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