Plug and Play, or the Devil is in the Detail?

Keith VickeryZUPT, LLC

The Application of Inertial Navigation to Underwater Positioning

We have been using inertial sensors for years:

Many instruments that we use in our daily business are based oninertial sensors – we have just called them by different names:Vertical reference units (VRU) or motion reference units (MRU) asused for DP, USBL and multibeam vessel attitude sensing

Teledyne TSS DMS, and Kongsberg Seatex MRU units.

Gyrocompass or heading sensors – usually spinning mass (gimbaled)SG Brown, Robertson, Sperry‐ some strap down heading sensorsSperry (C‐Plath), IXsea, CDL, Ocean Tools

Over the past few years the industry has started using combined GPS and heading and motion sensors Applanix’s POS MV and Coda Octopus F180 are examples of such GPS aided inertial systems.

Reduce vessel time consumed, and hence project cost associated with survey operations

Enabling survey operations on new or different platforms

Enabling surface vessel (USBL or similar) based systems to be used in deeper water depths

Enabling surface vessel based systems for precise deep water absolute and relative seabed positioning (maybe negate the need for LBL as used today).

Reduce the competency needed for ROV operations – automate some tasks (flying pipeline inspection surveys – already happening)

Autonomous survey operations ‐ either underwater or surface.

All while maintaining the same levels of relative and absolute accuracy.

Why do we want to integrate Inertial systems?

At Zupt we provide services with INS

Inertial Navigation for metrology surveysOver 75 production metrology surveys in West Africa, North Sea and the Gulf of Mexico. From 35m water to 3,600m water mobilized on multiple ROV and deployed by divers.   

Very efficient (much less boat/rig time needed) surveys are completed in less than 50% of the time taken for conventional (LBL) surveys. 

Accurate <+/‐ 35mm for up to a 20m jumper/spool length <+/‐ 50mm to up to a 50m jumper/spool length

Practical – the accuracy of the solution is available as we are collecting the data. Clients can QC our data within hours of first exposureWorks in the presence of drilling noise and vibrationNo “line of sight needed”Smaller footprint ‐ less people on board – less bunk space neededVessel independent – MSV or a rig – no need for USBL

Some of us have been talking about the application of inertial navigation to underwater positioning for nearly 20 years. Systems will be used if they absolutely have to be – such as high update rate attitude (and maybe position) for MBES   ‐Why the slow take up?

Very conservative customers:

Operators don’t want any risk in their field operations

Major contractors have “invested” in incumbent technology and they need to continue earning from it.

Project based purchasing drives “buy the same as last time” ‐ so no room for any innovation

“If it isn’t broke – don’t fix it”

Capable (if time consuming) incumbent mature underwater positioning technology exists

BUT – our industry has not embraced INS solutions subsea?

Many client survey reps, project managers, project surveyors and party chief’s do not really understand inertial technology. (a major survey contractor still has 2 hours for a static alignment of a subsea gyro within their procedures!!)

The users need guidance to let them:Specify prior to useTest on the bench prior to an offshore jobCalibrate or functionally test offshore at the start of the jobMonitor performance during operationsQC the data after the acquisition and process for delivery

We have received many calls from clients using other peoples equipment – “how do we check this out before we go offshore –how do we know if it is working properly”?

Have the manufactures educated the users – NO!

Obviously (or not so obviously) Yes – core inertial measurement units (IMUs) and some forms of inertial navigation systems are available from many sources (Kongsberg, iXblue, Teledyne CDL, Sonardyne, etc).

IMUs of many flavors are available from multiple international vendors – not just the vendors this industry is familiar with. Variations on a theme:

accuracy (°/hr Bias, turn on to turn on, ARW, bandwidth, etc.)sizepower requirementsIMU or INS?Raw data rates (this matters)Cost (this really matters)

BUT – From our experience the integration of inertial navigation systems with incumbent subsea aiding sensors is not “plug and play”

Is the technology available?

How do we look at system development at Zupt?

Application, application, application. Understand the application!

Have a very clear definition of the eventual deliverable

Work back from the deliverable accuracies and application environment to an optimal system requirement specification.

Fully understand the operators (users) of the positioning solution and the users of the data

Optimize the solution for the application. Don’t just select IMU’s or aiding sensors because everyone else does. 

Ensure that the system configuration does not impact operations unless it really has to (DVL=calibration time, LBL=beacon installation time, position relative to ellipsoid‐depth [versus seabed or altitude]=real time tide, CTD, system complexity, shallow water issues).

Can this lead to “generic solutions” or products?

Yes – but we have to educate the customer  ‐ this is NOT plug and play

Inertial for metrology, just a very good IMU, zupt to constrain – no aiding sensors. Why? ‐ Lever arms will eat your error budget

Subsea heading, attitude and heave (needs to be affordable)  ‐multiple vendors offer this today – different views on what affordable means. This needs to be the inertial building block for the following systems.

USBL smoothing, USBL + IMUrov + Depth + DVL (maybe)Note: ‐ only increases precision of USBL (reduces jitter) does not increase the accuracy of USBL. Only add a DVL if you really need it (longer USBL outages expected)

More Products ?

USBL with better absolute accuracy in deep waterUSBL+ IMUsurface +IMUrov + Depth + seabed beacon (known location) +DVL (maybe)

Must have high source level responder on ROV, must have minimal latency GNSS feed into the integrated inertial solution (not via the integrated nav software), must have good knowledge of the responder trigger. Seabed beacon with a known location of makes this a very reliable solution

Sparse LBL – LBL accuracy with far fewer transponders, LBL transceiver + IMUrov + Depth + real time tide + CTD. Must have very good knowledge of LBL transceiver Tx timing, very good knowledge of transponder depths in tide reference frame. 

How is this priced – How is this delivered?Inertial for metrology  currently a service (day rate people and equipment). Will remain a service for the foreseeable future.

Subsea heading, attitude and heave (S‐AHRS) (<0.1° heading) purchased or rented by customers. Zupt’s product based around Sagem BlueNaute® HRG technology.

USBL smoothing   S‐AHRS equipment purchase or rental with contracted support prior to mobilization for job config and bench testing and for first few days of a job. Then operated by end user.

USBL with better absolute accuracy S‐AHRS equipment purchase or rental with contracted support prior to mobilization for job config and bench testing and for first week of a job. Then operated by end user.

Sparse LBL probably a service unless long period job. May require better IMU than S‐AHRS above. For the next 12 to 24 months this will not be a common operation.

Just a few of the INS implementation issues:

Sensor/Observation Timing – nanosecond resolution neededSensor A to D at a very high data rate – 500Hz to 5kHz

Quantization errors, bandwidth dynamics, dithering freq cross talk, check the) gyro’s angle random walk (ARW) don’t be fooled by the Allen Variance numbers

Leveling, Coarse Alignment, Fine Alignment(static alignment or dynamic ‐ on what type of vessel) 

Navigation or dynamic propagation rate 500Hz is this enough?Vibration, high freq induced errors, sculling, scrolling and coning errors

Navigation: Extended Kalman filter 0.5Hz, 1Hz, 10Hz 500HzOr MMAE or IMME with some form of smoothing 

Multiple Model Adaptive Estimation – Interactive Mechanization Model 

Correct use of aiding, choosing the correct equations for propagation (simple for processing, reflect key dynamics), select the correct type and number of states within the Kalman, choose “truthful” gains, how good is the gravity model?, etc.

Just a few of the aiding sensor issues?

Use as raw an observation as possibleTiming of all observations is critical to an integrated solutionLever arms/offsets have to be known or are a state in the KF

DVL to IMU calibration – has to be very good/fastDVL – use individual beams, not the DVL body reference frame solutionDVL – time of validity – low latency trigger is still not that well known

LBL – knowledge of transponder depth is critical when working close to beaconsLBL – MK5 equipment limited access, 6G good access to observation initiation 

with the right hardwareLBL – use the QC knowledge in the reply strings for 6G

USBL – optimize with high source level beaconsUSBL – obviously has to be well calibrated

USBL – responder trigger used for observation timing

What is next?Image fusion into solution – or image for positioning?The ability to aid the navigation solution using low cost cameras. Part of our video mosaicking developments allows us to use the knowledge gained from computer vision image registration techniques (SURF or SLAM) to aid the navigation solution with simple images from low cost cameras. 

Exciting results from work to date also show that the ortho‐mosaic can also be used for very precise relative positioning (<20mm over 20m). Fly by metrology?: