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

Sintesi Tecnica: Una Soluzione Basata su Beacon per UUV Autonomi

Problematica
I Veicoli Subacquei Unmanned (UUV) autonomi sono sempre più richiesti per operazioni militari e civili furtive in aree costiere dove l'emersione è proibita o pericolosa. In questi scenari, i sistemi di navigazione satellitare globale (GNSS) sono indisponibili a causa della rapida attenuazione delle onde elettromagnetiche ad alta frequenza sott'acqua. Di conseguenza, gli UUV non possono fare affidamento sulla standard localizzazione satellitare, e l'emersione per acquisire un fix compromette la furtività esponendo il veicolo a sistemi di sorveglianza visiva, radar e di altro tipo. Inoltre, l'ambiente subacqueo presenta sfide dinamiche, tra cui correnti variabili, larghezza di banda limitata e limitazioni dei sensori (ad esempio, l'impossibilità di utilizzare Doppler Velocity Loggers senza il rilevamento del fondo). I metodi di localizzazione acustica esistenti, come il sistema Long Baseline (LBL) o i sistemi a singolo Beacon, affrontano spesso problemi di complessità di dispiegamento, limiti di portata o mancanza di soluzioni di posizione univoche. La sfida centrale affrontata è consentire a una flotta di UUV di navigare con precisione dalla piattaforma continentale verso un obiettivo costiero senza GNSS o supporto immediato in superficie, mantenendo al contempo la capacità di occultamento.

Metodologia
La soluzione proposta impiega un approccio in due fasi: il dispiegamento di una rete di landmark sintetici seguito da una pianificazione gerarchica per la navigazione della flotta.

1. Rete di Landmark Sintetici (Dispiegamento dei Beacon):
   Invece di fare affidamento su infrastrutture preesistenti, il sistema utilizza una costellazione di beacon acustici dispiegati da droni aerei o di superficie prima della missione UUV. Questi beacon possono essere sommersi, a media profondità o galleggianti in superficie. Per ottimizzare il loro posizionamento, gli autori implementano un algoritmo di Lloyd vincolato. Questo algoritmo distribuisce iterativamente $N$ beacon all'interno di un volume d'acqua definito ($V_{tot}$) per massimizzare la raccolta di informazioni. Esso minimizza la deviazione assoluta media tra il volume d'acqua in cui un segnale del beacon può essere ricevuto e il volume in cui non può esserlo, dividendo efficacemento l'area di missione in $N$ celle di Voronoi di volume uguale. Il baricentro di ciascuna cella determina la posizione ottimale di dispiegamento del beacon.

2. Pianificazione tramite Hierarchical Task Network (HTN):
   Una volta dispiegati i beacon, questi guidano la flotta di UUV. Il piano di navigazione è sintetizzato utilizzando un pianificatore HTN. A differenza della pianificazione classica che si concentra sulle transizioni di stato, la pianificazione HTN decompone compiti astratti complessi (ad esempio, "naviga verso l'obiettivo") in sequenze di azioni primitive (ad esempio, "naviga rotta", "rileva beacon", "trasmetti messaggio").

• Modello di Pianificazione: Il dominio è modellato utilizzando il paradigma della Hierarchical Task Network. Il pianificatore genera una sequenza di azioni per guidare gli UUV da un beacon all'altro.
• Esecuzione e Replanning: Il sistema opera in un ciclo chiuso (closed-loop). Un monitor di esecuzione raccoglie continuamente i dati sensoriali (segnali acustici, navigazione inerziale, ecc.) per aggiornare lo stato della flotta. Se lo stato corrente devia dallo stato atteso (ad esempio, un segnale del beacon non viene rilevato a causa di correnti o interferenze), viene innescato un episodio di replanning. Ciò consente al sistema di adattarsi alle perturbazioni ambientali e mantenere l'accuratezza della traiettoria.
• Vincoli Temporali: Sebbene l'attuale implementazione utilizzi un modello HDDL 1.0 non temporizzato, gli autori segnalano l'intenzione di evolvere verso l'HDDL 2.1 per incorporare i vincoli temporali necessari per la coordinazione sincronizzata della flotta.

3. Architettura Software:
   Il framework è implementato come una suite di plugin QGIS.

• Un plugin gestisce l'algoritmo di dispiegamento dei beacon.
• TraceQGIS funge da interfaccia di visualizzazione ed esecuzione. Carica i modelli di pianificazione HTN (in linguaggio HDDL) e i file di configurazione (YAML), visualizzando le entità (UUV, beacon), i collegamenti di comunicazione e le tracce di movimento su mappe batimetriche.

Contributi Chiave

• Algoritmo di Dispiegamento dei Beacon: L'applicazione di un algoritmo di Lloyd vincolato per ottimizzare il posizionamento dei beacon acustici per la localizzazione subacquea, garantendo la massima copertura e disponibilità del segnale all'interno di un volume di missione specifico.
• Framework di Navigazione basato su HTN: L'adattamento della pianificazione Hierarchical Task Network per la navigazione subacquea in ambienti privi di GNSS. Questo approccio consente di scomporre missioni complesse in sequenze adattive di azioni, gestendo l'incertezza attraverso il monitoraggio continuo e il replanning.
• Implementazione QGIS Integrata: Lo sviluppo di uno strumento software pratico (TraceQGIS) che integra la pianificazione dei beacon, il caricamento dei modelli HTN e la visualizzazione della missione in tempo reale, dimostrando la fattibilità dell'approccio in un contesto geospaziale.
• Strategia di Navigazione Furtiva: Una metodologia che evita la necessità per gli UUV di emergere per ottenere fix GNSS, preservando così la furtività operativa in zone ristrette o pericolose.

Risultati
Il documento presenta una validazione basata su simulazione dell'approccio utilizzando uno scenario al largo della costa di Capo Testa, Sardegna.

• Scenario: Una flotta di UUV con posizione iniziale incerta naviga verso un obiettivo utilizzando cinque beacon dispiegati.
• Esecuzione: La simulazione dimostra l'UUV 1 che naviga verso un beacon, rileva la sua firma acustica, orbita per affinare la propria posizione e trasmette un messaggio alla flotta. Gli altri UUV regolano quindi le loro traiettorie in base a tale trasmissione.
• Visualizzazione: L'interfaccia TraceQGIS ha visualizzato con successo i livelli della missione, inclusi i dati batimetrici, le posizioni dei beacon, le traiettorie degli UUV e gli eventi di comunicazione, confermando la capacità del sistema di rappresentare lo stato della missione e il flusso di esecuzione HTN.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori pongono questo lavoro come un necessario avanzamento per le operazioni autonome in ambienti subacquei privi di GNSS, un dominio in cui la ricerca pubblica è attualmente scarsa rispetto alla robotica aerea o terrestre. La significatività dell'approccio risiede nella sua capacità di:

1. Migliorare la Robustezza: Utilizzando un pianificatore gerarchico con monitoraggio continuo, il sistema può adattarsi dinamicamente alle incertezze ambientali (correnti, perdita di segnale) invece di fare affidamento su un percorso statico.
2. Abilitare Operazioni Furtive: La dipendenza da beacon sommersi o galleggianti e segnali acustici permette agli UUV di operare senza emergere, mantenendo l'occultamento dalle attività di sorveglianza.
3. Fornire un Framework Scalabile: L'uso della pianificazione HTN offre un modo strutturato per gestire missioni complesse, permettendo la scomposizione dei compiti e la generazione di sequenze di azioni alternative basate sullo stato in tempo reale della flotta.

Il documento riconosce modestamente gli attuali limiti, osservando che il modello iniziale assume una navigazione indipendente degli UUV e non tiene pienamente conto dei complessi vincoli della comunicazione inter-UUV o del problema della posizione del target sconosciuto (che potrebbe essere affrontato tramite trilaterazione in lavori futuri). Gli autori sottolineano che lo sviluppo di un pianificatore HTN temporale e l'integrazione dei vincoli di comunicazione rappresentano passi futuri critici per realizzare appieno il potenziale di questo sistema di navigazione basato su flotta.