AN INNOVATIVE APPROACH TO MORE RELIABLE AND AUTOMATED TARGET CLASSIFICATION FOR UNDERWATER MARITIME SURVEILLANCE

Target motion analysis (TMA) using conventional passive bearing together with frequency measurements is explored. This approach offers one tactical advantage over the classical bearings-only TMA. It makes the ownship maneuver superfluous. In this paper, TMA is carried out using Unscented Kalman Filter (UKF). Inclusion of range, course and speed parameterization is proposed in UKF target state vector to obtain the convergence of the solution fast. Finally the results of various scenarios in Monte-Carlo simulation are presented

Tracking algorithms for multistatic sonar systems

Abstract Activated reconnaissance systems based on target illumination are of high importance for surveillance tasks where targets are nonemitting. Multistatic configurations, where multiple illuminators and multiple receivers are located separately, are of particular interest. The fusion of measurements is a prerequisite for extracting and maintaining target tracks. The inherent ambiguity of the data makes the use of adequate algorithms, such as multiple hypothesis tracking, inevitable. For their design, the understanding of the residual clutter, the sensor resolution and the characteristic impact of the propagation medium is important. This leads to precise sensor models, which are able to determine the performance of the surveillance team. Incorporating these models in multihypothesis tracking leads to a situationally aware data fusion and tracking algorithm. Various implementations of this algorithm are evaluated with the help of simulated and measured data sets. Incorporating model knowledge leads to increased performance, but only if the model is in line with the physical reality: we need to find a compromise between refined and robust tracking models. Furthermore, to implement the model, which is inherently nonlinear for multistatic sonar, approximations have to be made. When engineering the multistatic tracking system, sensitivity studies help to tune model assumptions and approximations

6-DoF Navigation Systems for Autonomous Underwater Vehicles

Austri

The Nonsequential Fusion Method for Localization from Unscented Kalman Filter by Multistation Array Buoys

Based on special features of array buoy and the research field of location and tracking of underwater target, the research combines the highly adaptive nonlinear filtering algorithm unscented Kalman filter with the nonlinear programming of multistation array buoy positioning system. In accordance with the model of nonsequential target location, the research utilizes Unscented Transformation to update the measuring error and covariance matrix of state error, aiming at estimating the filtering of state variable and acquiring the object’s current state of motion. The research analyzes the positioning performance of algorithm, pursuit path, astringency, and other performance indexes of target-relevant parameter through numerical simulation experiment. From the result, the conclusion that multistation array buoy can complete the task of tracing target track very well can be reached, which provides theoretical foundation for putting the algorithm into engineering practice

CES-515 Towards Localization and Mapping of Autonomous Underwater Vehicles: A Survey

Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) have been used for a huge number of tasks ranging from commercial, military and research areas etc, while the fundamental function of a successful AUV is its localization and mapping ability. This report aims to review the relevant elements of localization and mapping for AUVs. First, a brief introduction of the concept and the historical development of AUVs is given; then a relatively detailed description of the sensor system used for AUV navigation is provided. As the main part of the report, a comprehensive investigation of the simultaneous localization and mapping (SLAM) for AUVs are conducted, including its application examples. Finally a brief conclusion is summarized

Acoustic underwater target tracking methods using autonomous vehicles

Marine ecological research related to the increasing importance which the fisheries sector has reached so far, new methods and tools to study the biological components of our oceans are needed. The capacity to measure different population and environmental parameters of marine species allows a greater knowledge of the human impact, improving exploitation strategies of these resources. For example, the displacement capacity and mobility patterns are crucial to obtain the required knowledge for a sustainable management of fisheries. However, underwater localisation is one of the main problems which must be addressed in subsea exploration, where no Global Positioning System (GPS) is available. In addition to the traditional underwater localisation systems, such as Long BaseLine (LBL) or Ultra-Short BaseLine (USBL), new methods have been developed to increase navigation performance, flexibility, and to reduce deployment costs. For example, the Range-Only and Single-Beacon (ROSB) is based on an autonomous vehicle which localises and tracks different underwater targets using slant range measurements conducted by acoustic modems. In a moving target tracking scenario, the ROSB target tracking method can be seen as a Hidden Markov Model (HMM) problem. Using Bayes' rule, the probability distribution function of the HMM states can be solved by using different filtering methods. Accordingly, this thesis presents different strategies to improve the ROSB localisation and tracking methods for static and moving targets. Determining the optimal parameters to minimize acoustic energy use and search time, and to maximize the localisation accuracy and precision, is therefore one of the discussed aspects of ROSB. Thus, we present and compare different methods under different scenarios, both evaluated in simulations and field tests. The main mathematical notation and performance of each algorithm are presented, where the best practice has been derived. From a methodology point of view, this work advances the understanding of accuracy that can be achieved by using ROSB target tracking methods with autonomous vehicles. Moreover, whereas most of the work conducted during the last years has been focused on target tracking using acoustic modems, here we also present a novel method called the Area-Only Target Tracking (AOTT). This method works with commercially available acoustic tags, thereby reducing the costs and complexity over other tracking systems. These tags do not have bidirectional communication capabilities, and therefore, the ROSB techniques are not applicable. However, this method can be used to track small targets such as jellyfish due to the reduced tag's size. The methodology behind the area-only technique is shown, and results from the first field tests conducted in Monterey Bay area, California, are also presented.La biologia marina junt amb la importància que ha adquirit el sector pesquer, fa que es requereixin noves eines per a l’estudi dels nostres oceans. La capacitat de mesurar diferents poblacions i paràmetres ambientals d’espècies marines permet millorar el coneixement de l’impacte que l’ésser humà té sobre elles, millorant-ne els mètodes d’explotació. Per exemple, la capacitat de desplaçament i els patrons de moviment són crucials per obtenir el coneixement necessari per a una explotació sostenible de les pescaries involucrades. No obstant, la localització submarina és un dels principals problemes que s’ha de resoldre en l’explotació dels recursos submarins, on el sistema de posició global (GPS) no es pot utilitzar. A part dels mètodes tradicionals de posicionament submarí, com per exemple el Long Base-Line (LBL) o el Ultra-Short Base-Line (USBL), nous mètodes han estat desenvolupats per tal de millorar la navegació, la flexibilitat, i per reduir els costos de desplegament. Per exemple, el Range-Only and Single-Beacon (ROSB) utilitza un vehicle autònom per a localitzar i seguir diferents objectius submarins mitjançant mesures de rang realitzades a partir de mòdems acústics. En un escenari on l’objectiu a seguir és mòbil, el mètode ROSB de seguiment pot ser vist com a un problema de Hidden Markov Model (HMM). Aleshores, utilitzant la regla de Bayes, la funció de distribució de probabilitat dels estats del HMM pot ser solucionat utilitzant diferents mètodes de filtratge. Per tant, s’estudien diferents estratègies per millorar el sistema de localització i seguiment basat en ROSB, tant per objectius estàtics com mòbils. En aquesta tesis, presentem i comparem diferents mètodes utilitzant diferents escenaris, els quals s’han avaluat tant en simulacions com en proves de camp reals. A més, es presenten les principals notacions matemàtiques de cada algoritme i les millors pràctiques a utilitzar. Per tant, des d’un punt de vista metodològic, aquest treball fa un pas endavant en el coneixement de l’exactitud que es pot assolir utilitzant els mètodes de localització i seguiment d’espècies mitjançant algoritmes ROSB i vehicles autònoms. A més a més, mentre molts dels treballs realitzant durant els últims anys es centren en l’ús de mòdems acústics per al seguiment d’objectius submarins, en aquesta tesis es presenta un innovador mètode anomenat Area-Only Target Tracking (AOTT). Aquest sistema utilitza petites etiquetes acústiques comercials (tag), la qual cosa, redueix el cost i la complexitat en comparació amb els altres mètodes. Addicionalment, gràcies a l’ús d’aquests tags de dimensions reduïdes, aquest sistema permet seguir espècies marines com les meduses. La metodologia utilitzada per el mètode AOTT es mostra en aquesta tesis, on també es presenten els primers experiments realitzats a la badia de Monterey a Califòrnia

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

On particle filters in radar target tracking

The dissertation focused on the research, implementation, and evaluation of particle filters for radar target track filtering of a maneuvering target, through quantitative simulations and analysis thereof. Target track filtering, also called target track smoothing, aims to minimize the error between a radar target's predicted and actual position. From the literature it had been suggested that particle filters were more suitable for filtering in non-linear/non-Gaussian systems. Furthermore, it had been determined that particle filters were a relatively newer field of research relating to radar target track filtering for non-linear, non-Gaussian maneuvering target tracking problems, compared to the more traditional and widely known and implemented approaches and techniques. The objectives of the research project had been achieved through the development of a software radar target tracking filter simulator, which implemented a sequential importance re-sampling particle filter algorithm and suitable target and noise models. This particular particle filter had been identified from a review of the theory of particle filters. The theory of the more conventional tracking filters used in radar applications had also been reviewed and discussed. The performance of the sequential importance re-sampling particle filter for radar target track filtering had been evaluated through quantitative simulations and analysis thereof, using predefined metrics identified from the literature. These metrics had been the root mean squared error metric for accuracy, and the normalized processing time metric for computational complexity. It had been shown that the sequential importance re-sampling particle filter achieved improved accuracy performance in the track filtering of a maneuvering radar target in a non-Gaussian (Laplacian) noise environment, compared to a Gaussian noise environment. It had also been shown that the accuracy performance of the sequential importance re-sampling particle filter is a function of the number of particles used in the sequential importance re-sampling particle filter algorithm. The sequential importance re-sampling particle filter had also been compared to two conventional tracking filters, namely the alpha-beta filter and the Singer-Kalman filter, and had better accuracy performance in both cases. The normalized processing time of the sequential importance re-sampling particle filter had been shown to be a function of the number of particles used in the sequential importance re-sampling particle filter algorithm. The normalized processing time of the sequential importance re-sampling particle filter had been shown to be higher than that of both the alpha-beta filter and the Singer-Kalman filter. Analysis of the posterior Cramér-Rao lower bound of the sequential importance re-sampling particle filter had also been conducted and presented in the dissertation