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

Résumé Technique : Une solution basée sur des balises pour les UUV autonomes

Énoncé du Problème
Les véhicules sous-marins autonomes (UUV) sont de plus en plus sollicités pour des opérations militaires et civiles clandestines dans les zones côtières où la remontée en surface est interdite ou dangereuse. Dans ces scénarios, les systèmes de navigation par satellite (GNSS) sont indisponibles en raison de l'atténuation rapide des ondes électromagnétiques à haute fréquence sous l'eau. Par conséquent, les UUV ne peuvent pas compter sur un positionnement satellite standard, et remonter à la surface pour acquérir une position compromet la furtivité en exposant le véhicule aux systèmes de surveillance visuelle, radar et autres. De plus, l'environnement sous-marin présente des défis dynamiques, notamment des courants variables, une bande passante de communication limitée et des limitations de capteurs (par exemple, l'incapacité d'utiliser des lochs Doppler sans détection du fond). Les méthodes de localisation acoustique existantes, telles que les systèmes à longue base (LBL) ou à balise unique, font souvent face à des problèmes de complexité de déploiement, de limitations de portée ou d'absence de solutions de positionnement uniques. Le défi central abordé est de permettre à une flotte d'UUV de naviguer avec précision du plateau continental vers un objectif côtier sans GNSS ni support immédiat en surface, tout en maintenant la dissimulation.

Méthodologie
La solution proposée emploie une approche en deux étapes : le déploiement d'un réseau de points de repère synthétiques suivi d'une planification hiérarchique pour la navigation de la flotte.

1. Réseau de points de repère synthétiques (Déploiement de balises) :
   Au lieu de s'appuyer sur une infrastructure préexistante, le système utilise une constellation de balises acoustiques déployées par des drones aériens ou de surface avant la mission de l'UUV. Ces balises peuvent être immergées, en pleine eau ou flottantes en surface. Pour optimiser leur placement, les auteurs implémentent un algorithme de Lloyd contraint. Cet algorithme distribue de manière itérative $N$ balises au sein d'un volume d'eau défini ($V_{tot}$) afin de maximiser la collecte d'informations. Il minimise l'écart absolaire moyen entre le volume d'eau où un signal de balise peut être reçu et le volume où il ne peut pas l'être, divisant ainsi la zone de mission en $N$ cellules de Voronoi de volume égal. Le centroïde de chaque cellule détermine la position optimale de déploiement de la balise.

2. Planification par Réseau de Tâches Hiérarchiques (HTN) :
   Une fois les balises déployées, elles guident la flotte d'UUV. Le plan de navigation est synthétisé à l'aide d'un planificateur HTN. Contrairement à la planification classique qui se concentre sur les transitions d'état, la planification HTN décompose des tâches abstraites complexes (ex: « naviguer vers l'objectif ») en séquences d'actions primitives (ex: « naviguer en cap », « détecter la balise », « diffuser un message »).

• Modèle de planification : Le domaine est modélisé selon le paradigme du Réseau de Tâches Hiérarchiques. Le planificateur génère une séquence d'actions pour guider les UUV de balise en balise.
• Exécution et replanification : Le système fonctionne en boucle fermée. Un moniteur d'exécution recueille continuellement les données des capteurs (signaux acoustiques, navigation inertielle, etc.) pour mettre à jour l'état de la flotte. Si l'état actuel dévie de l'état attendu (par exemple, si un signal de balise n'est pas détecté en raison de courants ou d'interférences), une épisode de replanification est déclenché. Cela permet au système de s'adapter aux perturbations environnementales et de maintenir la précision de la trajectoire.
• Contraintes temporelles : Bien que l'implémentation actuelle utilise un modèle HDDL 1.0 non temporel, les auteurs ont l'intention d'évoluer vers le HDDL 2.1 pour incorporer les contraintes temporelles nécessaires à la coordination synchronisée de la flotte.

3. Architecture Logicielle :
   Le cadre est implémenté sous forme d'une suite de plugins QGIS.

• Un plugin gère l'algorithme de déploiement des balises.
• TraceQGIS sert d'interface de visualisation et d'exécution. Il charge les modèles de planification HTN (en langage HDDL) et les fichiers de configuration (YAML), visualisant les entités (UUV, balises), les liens de communication et les traces de mouvement sur des cartes bathymétriques.

Contributions Clés

• Algorithme de déploiement de balises : L'application d'un algorithme de Lloyd contraint pour optimiser le placement des balises acoustiques pour la localisation sous-marine, garantissant une couverture et une disponibilité de signal maximales dans un volume de mission spécifique.
• Cadre de navigation basé sur l'HTN : L'adaptation de la planification par Réseau de Tâches Hiérarchiques pour la navigation en environnement GNSS-denied. Cette approche permet de décomposer des missions complexes en séquences d'actions adaptatives, gérant l'incertitude grâce à une surveillance continue et une replanification.
• Implémentation QGIS intégrée : Le développement d'un outil logiciel pratique (TraceQGIS) qui intègre la planification des balises, le chargement des modèles HTN et la visualisation de la mission en temps réel, démontrant la faisabilité de l'approche dans un contexte géospatial.
• Stratégie de navigation furtive : Une méthodologie qui évite la nécessité pour les UUV de remonter en surface pour acquérir des correctifs GNSS, préservant ainsi la discrétion opérationnelle dans des zones restreintes ou dangereuses.

Résultats
L'article présente une validation basée sur une simulation de l'approche en utilisant un scénario au large de Capo Testa, en Sardaigne.

• Scénario : Une flotte d'UUV ayant des positions initiales incertaines navigue vers un objectif en utilisant cinq balises déployées.
• Exécution : La simulation démontre l'UUV 1 naviguant vers une balise, détectant sa signature acoustique, effectuant un cercle pour affiner sa position, puis diffusant un message à la flotte. Les autres UUV ajustent ensuite leurs trajectoires en fonction de ce message diffusé.
• Visualisation : L'interface TraceQGIS a réussi à visualiser les couches de la mission, incluant les données bathymétriques, les positions des balises, les trajectoires des UUV et les événements de communication, confirmant la capacité du système à représenter l'état de la mission et le flux d'exécution de l'HTN.

Signification et Revendications
Les auteurs présentent ce travail comme une avancée nécessaire pour les opérations autonomes dans les environnements sous-marins privés de GNSS, un domaine où la recherche publique est actuellement rare par rapport à la robotique aérienne ou terrestre. La signification de l'approche réside dans sa capacité à :

1. Accroître la robustesse : En utilisant un planificateur hiérarchique avec une surveillance continue, le système peut s'adapter dynamiquement aux incertitudes environnementales (courants, perte de signal) plutôt que de dépendre d'un chemin statique.
2. Permettre des opérations clandestines : Le recours à des balises immergées ou flottantes et à des signaux acoustiques permet aux UUV d'opérer sans remonter en surface, maintenant ainsi la dissimulation face aux systèmes de surveillance.
3. Fournir un cadre évolutif : L'utilisation de la planification HTN offre une manière structurée de gérer des missions complexes, permettant la décomposition des tâches et la génération de séquences d'actions alternatives basées sur l'état en temps réel de la flotte.

L'article reconnaît modestement les limites actuelles, notant que le modèle initial suppose une navigation indépendante des UUV et ne prend pas pleinement en compte les contraintes complexes de communication entre UUV ou le problème de la position cible inconnue (qui pourrait être traité via la trilatération dans des travaux futurs). Les auteurs soulignent que le développement d'un planificateur HTN temporel et l'intégration des contraintes de communication représentent des étapes critiques futures pour réaliser pleinement le potentiel de ce système de navigation de flotte.