A Beacon Based Solution for Autonomous UUVs GNSS-Denied Stealthy Navigation

Resumen Técnico: Una Solución Basada en Balizas para UUV Autónomos

Planteamiento del Problema
Los Vehículos Submarinos No Tripulados (UUV) autónomos se requieren cada vez más para operaciones militares y civiles encubiertas en zonas costeras donde la salida a la superficie está prohibida o es peligrosa. En estos escenarios, los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) no están disponibles debido a la rápida atenuación de las ondas electromagnéticas de alta frecuencia bajo el agua. En consecuencia, los UUV no pueden depender de la posicionamiento estándar por satélite, y salir a la superficie para adquirir una posición compromete el sigilo al exponer al vehículo a sistemas de vigilancia visual, de radar y otros. Además, el entorno submarino presenta desafíos dinámicos, incluyendo corrientes variables, ancho de banda de comunicación limitado y limitaciones de sensores (por ejemplo, la incapacidad de usar Doppler Velocity Loggers sin detección de fondo). Los métodos de localización acústica existentes, como el de Línea de Base Larga (LBL) o los sistemas de Baliza Única, a menudo enfrentan problemas de complejidad de despliegue, limitaciones de rango o falta de soluciones de posición únicas. El desafío central abordado es permitir que una flota de UUV navegue con precisión desde la plataforma continental hasta un objetivo en la costa sin GNSS o soporte inmediato en superficie, manteniendo el ocultamiento.

Metodología
La solución propuesta emplea un enfoque de dos etapas: el despliegue de una red de hitos sintéticos seguido de una planificación jerárquica para la navegación de la flota.

1. Red de Hitos Sintéticos (Despliegue de Balizas):
   En lugar de depender de infraestructura preexistente, el sistema utiliza una constelación de balizas acústicas desplegadas por drones aéreos o de superficie antes de la misión del UUV. Estas balizas pueden estar sumergidas, en la columna de agua o flotando en la superficie. Para optimizar su colocación, los autores implementan un algoritmo de Lloyd restringido. Este algoritmo distribuye iterativamente $N$ balizas dentro de un volumen de agua definido ($V_{tot}$) para maximizar la recolección de información. Minimiza la desviación absoluta promedio entre el volumen de agua donde se puede recibir la señal de una baliza y el volumen donde no se puede, dividiendo efectivamente el área de la misión en $N$ celdas de Voronoi de igual volumen. El centroide de cada celda determina la posición óptima de despliegue de la baliza.

2. Planificación de Red de Tareas Jerárquicas (HTN):
   Una vez desplegadas las balizas, estas guían a la flota de UUV. El plan de navegación se sintetiza utilizando un planificador HTN. A diferencia de la planificación clásica que se centra en las transiciones de estado, la planificación HTN descompone tareas abstractas complejas (por ejemplo, "navegar hacia el objetivo") en secuencias de acciones primitivas (por ejemplo, "navegar curso", "detectar baliza", "transmitir mensaje").

• Modelo de Planificación: El dominio se modela utilizando el paradigma de Red de Tareas Jerárquicas. El planificador genera una secuencia de acciones para guiar a los UUV de baliza en baliza.
• Ejecución y Replanificación: El sistema opera de manera de bucle cerrado. Un monitor de ejecución recopila continuamente datos de los sensores (señales acústicas, navegación inercial, etc.) para actualizar el estado de la flota. Si el estado actual se desvía del estado esperado (por ejemplo, si no se detecta una señal de baliza debido a corrientes o interferencias), se activa un episodio de replanificación. Esto permite que el sistema se adapte a las perturbaciones ambientales y mantenga la precisión de la trayectoria.
• Restricciones Temporales: Aunque la implementación actual utiliza un modelo HDDL 1.0 sin tiempo, los autores señalan la intención de evolucionar hacia HDDL 2.1 para incorporar las restricciones temporales necesarias para la coordinación sincronizada de la flota.

3. Arquitectura de Software:
   El marco de trabajo se implementa como una suite de plugins de QGIS.

• Un plugin gestiona el algoritmo de despliegue de balizas.
• TraceQGIS sirve como la interfaz de visualización y ejecución. Carga modelos de planificación HTN (en lenguaje HDDL) y archivos de configuración (YAML), visualizando entidades (UUV, balizas), enlaces de comunicación y trazas de movimiento sobre mapas batimétricos.

Contribuciones Clave

• Algoritmo de Despliegue de Balizas: La aplicación de un algoritmo de Lloyd restringido para optimizar la colocación de balizas acústicas para la localización submarina, asegurando la máxima cobertura y disponibilidad de señal dentro de un volumen de misión específico.
• Marco de Navegación Basado en HTN: La adaptación de la planificación de Red de Tareas Jerárquicas para la navegación en entornos sin GNSS bajo el agua. Este enfoque permite la descomposición de misiones complejas en secuencias adaptativas de acciones, manejando la incertidumbre mediante el monitoreo continuo y la replanificación.
• Implementación Integrada en QGIS: El desarrollo de una herramienta de software práctica (TraceQGIS) que integra la planificación de balizas, la carga de modelos HTN y la visualización de misiones en tiempo real, demostrando la viabilidad del enfoque en un contexto geoespacial.
• Estrategia de Navegación Sigilosa: Una metodología que evita la necesidad de que los UUV salgan a la superficie para obtener correcciones GNSS, preservando así el sigilo operativo en zonas restringidas o peligrosas.

Resultados
El artículo presenta una validación basada en simulaciones del enfoque utilizando un escenario frente a la costa de Capo Testa, Cerdeña.

• Escenario: Una flota de UUV con posiciones iniciales inciertas navega hacia un objetivo utilizando cinco balizas desplegadas.
• Ejecución: La simulación demuestra al UUV 1 navegando hacia una baliza, detectando su firma acústica, circulando para refinar su posición y transmitiendo un mensaje a la flota. Otros UUV ajustan sus trayectorias basándose en esta transmisión.
• Visualización: La interfaz TraceQGIS visualizó con éxito las capas de la misión, incluyendo los datos batimétricos, las posiciones de las balizas, las trayectorias de los UUV y los eventos de comunicación, confirmando la capacidad del sistema para representar el estado de la misión y el flujo de ejecución de la HTN.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores posicionan este trabajo como un avance necesario para las operaciones autónomas en entornos submarinos sin GNSS, un dominio donde la investigación pública es actualmente escasa en comparación con la robótica aérea o terrestre. La significancia del enfoque radica en su capacidad para:

1. Mejorar la Robustez: Al utilizar un planificador jerárquico con monitoreo continuo, el sistema puede adaptarse dinámicamente a las incertidumbres ambientales (corrientes, pérdida de señal) en lugar de depender de una ruta estática.
2. Permitir Operaciones Encubiertas: La dependencia de balizas sumergidas o flotantes y señales acústicas permite que los UUV operen sin salir a la superficie, manteniendo el ocultamiento ante sistemas de vigilancia.
3. Proporcionar un Marco Escalable: El uso de la planificación HTN ofrece una forma estructurada de gestionar misiones complejas, permitiendo la descomposición de tareas y la generación de secuencias de acciones alternativas basadas en el estado en tiempo real de la flota.

El documento reconoce modestamente las limitaciones actuales, señalando que el modelo inicial asume la navegación independiente de los UUV y no tiene plenamente en cuenta las complejas restricciones de la comunicación entre UUV o el problema de la posición del objetivo desconocida (lo cual podría abordarse mediante trilateración en trabajos futuros). Los autores enfatizan que el desarrollo de un planificador HTN temporal y la integración de las restricciones de comunicación representan pasos críticos futuros para realizar plenamente el potencial de este sistema de navegación basado en flotas.