Mission-oriented autonomous systems with small satellites for maritime sensing, surveillance and communication

Fjerne områder som åpent hav, polområdene og enkelte kystområder har svært lite infrastruktur tilgjengelig for observasjon, overvåking og kommunikasjon for å støtte viktige samfunnsoppgaver. Dette inkluderer formål som havforskning, klimaforskning, ressursstyring og -overvåking, miljøovervåking, industriell utforskning og utnyttelse, fiskeri, havbruk, skipstransport, søk og redning, forsvar og mange andre anvendelser. Forskning har muliggjort at autonome agenter og roboter forsterker og erstatter konvensjonelle skip, fly og faste installasjoner. Slike systemer muliggjør ikke bare en betydelig reduksjon i kostnader og fare for mennesker, men en enda viktigere fordel er at de kan samle inn vesentlig mer data som gir informasjon av bedre kvalitet. Dette er mulig ved å utnytte de komplementære egenskapene til forskjellige autonome fartøy med hensyn på mobilitet og sensorer for å observere de samme fenomenene på forskjellige skaler i rom og tid. Dette prosjektet har et tydelig og flerfaglig fokus på design, bygging og operasjon av små satellitter som en tett integrert del av autonome system for maritim observasjon, overvåking og kommunikasjon. Prosjektet utvikler to satellitter og nyttelaster som inneholder hyperspektralt kamera og software-definert radio for kommunikasjon med bøyer og andre sensornoder i Arktis. Marinbiologiske anvendelser som overvåkning av algeoppblomstringer og plankton er sentrale drivere, særlig for anvendelser i havbruksnæringen. Den første satellitten (HYPSO-1) har en egenutviklet nyttelast med et hyperspektralt kamera og mulighet for å prosessere data ombord slik at kritiske kan lastes ned hurtig for sanntids overvåkning. Forskningen har så langt fokusert på analyse og design av systemet samt utvikling av algoritmer og programvare for dataanalyse. Systemet inkluderer også bruk av et autonome overflatefartøy med sensorer som kan gi mer detaljerte målinger i havoverflaten. Dette systemet ble satt i drift bane i januar 2022 og er en plattform for å teste ut mer effektive metoder for fjernmåling ved hjelp av småsatellitter og robot-agenter som er styrt på en koordinert måte. Dette ble testet med suksess for obervasjon av oppblomstringer av planteplankton i feltforsøk i Frohavet i Mars-April 2022 og Ny-Ålesund i Mai 2022.

This project has been an extremely important catalyst for several other ongoing and future activities and projects. HYPSO-1 and HYPSO-2 are in-orbit research platforms that will be used to collect hyperspectral ocean data for many other projects. The data processing software onboard HYPSO-1 and HYPSO-2 can be upgraded in orbit to test new algorithms and extend functionality. HYPSO-1 and HYPSO-2 are part of a system-of-systems for ocean observation, that is now viewed as an observational pyramid that involves aerial drones, autonomous surface vessels (including the renewable energy powered AutoNaut), autonomous underwater vehicles and other agents. In-orbit interference detection has be demonstrated with use of the LUME-1 satellite and on post-processed data from the NorSat-2 satellite, and the results are published. The outcomes of this project will be exploited at least in the following projects - HYPSCI – focusing of science applications of HYPSO; large interdisciplinary project - ARIEL – focusing on onboard AI with hyperspectral data processing; IKTPLUSS - AWAS – in-situ water analysis using AI on autonomous surface vessel; IKTPLUSS - Lavutslipps verdikjede for havbruk til havs – Green Platform project that aim to develop algal warning system prototype for the aquaculture industry. - SOS – system-of-systems with application to harmful algal bloom warning; IKTPLUSS - Water quality observation system for Norwegian lakes and coastal waters in collaboration with NIVA (Norwegian Institute for Water Research). Finally, NTNU is strengthening its education on space systems with new specializations from 2023 on space systems engineering (cybernetics and robotics master program, and electronic system design master program).

Remote maritime environments such as open oceans, polar regions, and some coastal regions are characterized by very limited infrastructure for sensing, surveillance and communication that can support critically important functions in the modern society. This includes oceanographic studies, climate research, resource management, environmental monitoring, industrial exploration and exploitation of resources, fisheries, maritime transportation, search and rescue, security, and numerous other applications. A disruptive change in approach to solve these problems in currently taking place, enabled by the use of autonomous agents and robots that are augmenting and replacing conventional ships, aircraft and observation technology. Networks of autonomous underwater vehicles, autonomous surface vehicles and unmanned aerial vehicles are capable of coordinated missions executed in concert with conventional vehicles, buoys and fixed sensor networks. Such ubiquitous autonomous cyber-physical systems enable not only significant reduction in costs, and increased safety, but even more importantly they provide much more information about the observed targets and features of scientific interest by taking advantage of the complementary and coordinated capabilities of the autonomous assets related to mobility, sensors, and spatio-temporal scales. We propose a concerted and unified cross-disciplinary focus on designing, building and operating small satellites as parts of an autonomous system for maritime sensing, surveillance and communication. The research activities at NTNU?s Center of Excellence on Autonomous Marine Operations and Systems (NTNU-AMOS) are strongly contributing to this vision with significant research activities and technological developments, with one main exception: The study of using small satellites as a key part of the system. The proposed project's main strategic objective is therefore to fill this gap, by establishing a research platform and partnerships.