Autonomous Unmanned Aerial System as a Mobile Wireless Sensor Network for Environmental and Ice Monitoring in Arctic Marine Operations

For fremtidig oljeutvinning i arktiske strøk, overvåkning av miljø- og isforhold vil være kritisk for sikkerhet. Monitorering av sjø- og isforhold blir i dag gjort med sensorer og innsamlingsmetoder som involverer fly, skip, satellitter, værbøyer og oljeinstallasjoner. Av disse er det bare satellittbaserte system samt militære fly som har kapasitet for effektiv overvåkning av fjerntliggende sjøområder i norsk økonomisk sone. Dette prosjektet fokuserer på det som skjer i front av en operasjon med ubemannede farkoster ved å drive forskning på flytekniske forbedringer, forbedrede navigasjonssystemer og forbedrede, redundante datalinker til farkostene. I tillegg forskes det på systemer i bakkant av operasjonene for å presentere og formidle sensordata fra de ubemannede farkostene på en best mulig måte mellom alle fartøyene som kan dra nytte av informasjonen. En ny datalinkmodul for bruk på mindre UAVer er utviklet og det er produsert prototyper av denne. I motsetning til tidligere radiomoduler for UAV kan denne brukes på vesentlig mindre UAVer. Vekten er redusert fra 2700g til 190g. Den nye modulen vil også få vesentlig kortere rekkevidde, men vil være tilstrekkelig for mange formål. I første delen av prosjektet har man testet nye konsept for avgang og landing av ubemannede farkoster fra skip. Videre har man gjort vellykkede tester av langdistanseytelse for data-linken. Tester med elektrisk ledende overflater basert på karbon nanorør (CNT) viser lovende resultat som tiltak mot ising under flyging. Metoden er under uttesting på flere UAV-plattformer, og det er gjennomført testflygninger og termodynamiske analyser. Det er utviklet nye metoder for automatisk deteksjon av ising basert på UAV-autopiloten sine standard sensorer. Tester i isingstunnel er under planlegging i samarbeid med SFI CIRFA. Videre forskes det på integrasjon av optiske navigasjonshjelpemidler kombinert med treghetsnavigasjon som alternative navigasjonshjelpemidler i tilfelle at magnetisk kompass eller GPS feiler under flyging. Det forberedes tester med slipp av trackere på isflak og isfjell med X8 UAV i 2016 i samarbeid med SFIene SAMCOT og CIRFA. Det er utviklet en egen nyttelast for Penguin B UAV for å støtte forskning innen robust navigasjon. Den har IMUer (Inertial Measurement Unit) fra SensoNor og Analog Devices, magnetometer, laser høydemåler, carrier-phase GPS, høyoppløselig kamera i tillegg til autopiloten sitt navigasjonssystem. Foreløpige tester er gjennomført, og det planlegges bruk av fasestyrt antenne for navigasjon i situasjoner der GPS ikke er pålitelige. Foreløpige tester med nyutviklede algoritmer for deteksjon og tracking av objekter ved bruk av termisk (infrarød) sensor er gjennomført i gjennom vinteren 2015. Det har i 2015 foretatt forbedringen av avioinikk-platformen på sin Penguin MR UAV plattform. En vesentlig mere robust og mere plasseffektiv installasjon er resultat. Den nye COM løsningen vil inneholde redundans med en kombinasjon av flere forskjellige COM systemer. Det er også foretatt en rekke felt og flytester med denne løsningen. Tester og datainnsamling med X8 UAV er gjennomført på Azorene sommeren 2015 i samarbeid Portugisiske universiteter og marine. Implementasjonsfasen for den delen av prosjektet som omhandler 'Monitorering av sjø- og isforhold' er avsluttet og det jobbes nå med test og verifikasjon. Vi har nå en stabil plattform som viser posisjonering av multiple objekter, deriblant UAV, fartøyer og isobjekter. Kommunikasjonsprotokollen for radionettverket mellom UAV og fartøyer kan være komplisert å sette opp hvis vi skal tillate skalering av operasjonen. Det har blitt tatt frem et komplett design av et intuitivt brukergrensesnitt for konfigurasjon av nettverk som gir mulighet til detaljert oppsett. Dette abstraherer vekk detaljert informasjon for enklere operasjoner eller brukere med lavere kompetanse. Implementasjon av dette verktøyet er startet. Vi har i dette prosjektet vært i dialog med Viking Supply Ships som har en stor flåte av isbryterfartøy og som ser nytten av teknologien som utvikles i dette prosjektet. Ser dette som en svært nyttig teknologi for arktiske operasjoner. Både offshorerelatert og i forbindelse med nye handelsruter. Vi gjennomførte tester på Svalbard og demonstrerte autonom deteksjon og sporing av isfjell fra en UAV med termisk kamera og bildeanalyse. Vi gjennomførte også suksessfulle tester av anti/avising system på en UAV. Vi har implementert navigasjon tester med Radionor data link for posisjonering. Prosjektet har muliggjort at et omfattende sett av data fra UAV flygninger. Disse datasettene blir nå analysert og brukt for utvikling av robuste posisjonering og navigasjon algoritmer som tar sikte på å gjøre UAV og andre ubemannede kjøretøyer i stand til å operere også når GPS er tapt.

For future oil exploration in the Arctic, monitoring of ice conditions and environmental conditions in the operational area will be critical. Remote sensing of ocean performed today with sensors / sampling methods are today operated by large manned aircr aft and ships, satellites, weather buoys and some stationary oil installations. Of these, only satellite systems and military aircraft (P-3 Orion) has the capacity for effective aerial surveillance in Norwegian remote ocean areas of high economic impact. Aircraft operations requires good infrastructure on the ground with access to re-fueling and advanced maintenance facilities. For commercial operations in remote areas from vessels in Arctic locations, transportation of aircraft, crew and maintenance fac ilities to the area of interest is the dominating cost. In such areas, an Unmanned Aerial System (UAS) has a large cost saving and potential for higher efficiency and availability in ice and environmental monitoring missions. According to Science Liaiso n in US Coast Guard PACAREA dr. Philip.A.McGillivary, the current situation is that one aircraft is lost in average every 6 missions when operating in Arctic areas. This situation opens for a great innovation potential for the front-end of UAS missions. This research project will focus on research and innovation of both front-end of UAS operations making innovations that will provide more reliable and safe UAS flights in Arctic environment without need for satellite links. The project will also focus on the back-end of UAS operations to present and distribute UAS sensor information for vessels in complex Arctic operations where there is very limited infrastructure in order to make better response and coordinated actions for the vessels and operators.