GNSS-denied collaborative navigation of unmanned surface vessels using Maritime Broadband Radio

Abstract

In conventional navigation systems, inertial sensors measuring relative movement are combined with an absolute position reference in order to avoid drift over time due to the noisiness of the inertial measurements. Aglobal navigation satellite system (GNSS) receiver typically provides surface- and aerial-based vehicles with this absolute position reference. A subconcept of navigation is the concept of GNSSdenied navigation, which is concerned with how vehicles can operate whenever they do not have GNSS available as an absolute position reference – perhaps the operational environment is GNSS-denied due to e.g. military jammers or maybe the availability and accuracy of GNSS is insufficient if e.g. the operational environment is a densely populated urban centre. The concept of collaborative navigation is concerned with utilising a network of vehicles that are able to communicate with each other and share useful information amongst themselves. This information can e.g. include relative position between vehicles and the vehicles’ planned path. In this thesis, an estimation framework for GNSS-denied collaborative navigation of unmanned surface vessels using phased-array radio system (PARS) measurements is developed. When deployed on a vehicle, the framework utilizes absolute position measurements from GNSS whenever available and relative position measurement from PARS received from other vehicles otherwise. In addition to these position measurements, a compass and an inertial measurement unit (IMU) are utilised for heading and attitude measurements, respectively. In order to test the estimation framework, a sensor simulation platform for GNSS position, PARS position, IMU attitude and compass heading was also developed as part of the work in this thesis. The estimation framework was tested with simulated sensor measurements in several scenarios designed to test performance both when participating vehicles were GNSS-denied and otherwise. The results obtained were analysed using several filter consistency performance metrics. The chosen set of tuning parameters resulted in an inconsistent navigation filter overall, but with averages indicating under-confident behaviour where the filter believed there to be, amongst other things, far more noise present in the compass heading and IMU acceleration measurements than there was. Despite suboptimal tuning, the filter managed to keep its track in all tested scenarios up until – and including – the final GNSSdenied scenario with three out of four vehicles losing GNSS. In comparable GNSSbased and PARS-based GNSS-denied scenarios the filter performed slightly better when navigating using PARS measurements, but only when at least two of the connected vehicles maintained access to GNSS.

I tradisjonelle navigasjonssystemer kombineres treghetssensorer som måler relative bevegelse med en absolutt posisjonsreferanse for å forhindre drift over tid som følge av støynivået i treghetsmålingene. En mottaker for signaler fra et globalt satelittnavigasjonssystem (GNSS) er gjerne det som anvendes ombord i overflate- og luftfartøy for å gi denne absolutte posisjonsreferansen. Et underkonsept innenfor navigasjon er GNSS-fri navigasjon, som er et konsept som omhandler hvordan fartøy kan være i drift og gjennomføre planlagte oppdrag når de ikke kan bruke en GNSS-mottaker som absolutt posisjonsreferanse. Kanskje er ikke området der fartøyet opererer egnet for bruk av GNSS som følge av f.eks. effekten av militære jammere eller så er kanskje ikke tilgjengeligheten eller nøyaktigheten til GNSS i det gitte området godt nok; dette kan skje dersom området fartøyet opererer i f.eks. er et tettbebygd sentrumsområde. Konseptet samarbeidene navigasjon er opptatt av å benytte et nettverk av fartøy som kan kommunisere med hverandre og dele nyttig informasjon seg imellom for å kunne operere i slike områder. Denne informasjonen kan blant annet inkludere relativ posisjon mellom to fartøy og fartøyenes planlagte bane. I denne oppgaven har et estimeringsrammeverk for GNSS-fri samarbeidende navigasjon av ubemannede overflatefartøy ved hjelp av posisjonsmålinger fra et fasestyrt radiosystem (PARS) blitt utviklet. Rammeverket benytter seg av absolutte posisjonsmålinger fra GNSS når dette er tilgjengelig og relative posisjonsmålinger mottatt fra andre fartøy via PARS ellers. I tillegg til disse posisjonsmålingene benyttes et kompass og en treghetsmåleenhet for å ha tilgang på henholdsvis headingvinkel og attitude. For å kunne teste estimeringsrammeverket ble en sensorsimuleringsplattform for GNSS posisjon, PARS posisjon, IMU attitude og kompassheading også utviklet som en del av arbeidet med oppgaven. Estimeringsrammeverket ble testet med simulerte sensormålinger i flere scenarioer som ble designet for å teste ytelse både når deltagende fartøy hadde tilgang på GNSS og ellers. Resultatene som ble innsamlet ble følgelig analysert ved hjelp av flere resultattall for oppnådd konsekventhet i filterets tilstandsestimering og målingsprediksjon. De valgte innstillingsparameterne resulterte i et filter med generelt varierende ytelse, der gjennomsnittlige verdier indikerte at filteret var for usikkert i blant annet prediksjon av heading- og akselerasjonsmålinger der filteret mente det varmye mer støy tilstede enn det det faktisk var. Til tross for suboptimal innstilling tyder resultatene på at filteret er i stand til å estimere korrekt bane frem til og med siste GNSS-fri scenario når tre av fire fartøy mister tilgang på GNSS. I sammenlignbare GNSS-baserte og PARS-baserte GNSS-fri scenarioer oppnådde filteret noe bedre ytelse når PARS ble brukt som posisjonsreferanse, men kun når minst to av de tilkoblede fartøyene beholdt tilgang på GNSS.