Utilizing Digital Celestial Navigation in GNSS-denied open-sea environments

Abstract

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) have become the cornerstone of modern navigation, providing accurate and continuous positioning across various domains, including maritime traffic. However, GNSS interference has been increasing, which poses significant risks for maritime safety. The increase of GNSS disruptions has been accelerating in the last five years. The importance of researching alternative or complementary navigation methods has been recognized worldwide. The feasibility of solutions vary according to the operational domain and vehicle type. This thesis examines these differences and aims to identify the specific characteristics that apply to marine environments, particularly open-sea environments where external infrastructure is limited. As a potential solution, the thesis explores digital celestial navigation, a modernized version of traditional sextant-based navigation. A prototype using computer vision, astronomical datasets, and low-cost computing is proposed. The proposed system detects stars in images captured of the night sky, and estimates the observer’s position by comparing the detections to astronomical star charts. The software component of the prototype is evaluated through a simulation. The results indicate that positioning of kilometre-level accuracy can be achieved, and that celestial navigation has potential as an independent and self-contained backup navigation method.

Maailmanlaajuiset satelliittipaikannusjärjestelmät (GNSS) muodostavat nykyaikaisen navigoinnin perustan. Järjestelmät mahdollistavat tarkan ja jatkuvan paikantamisen useilla sovellusalueilla meriliikenne mukaan lukien. GNSS-signaalit ovat kuitenkin alttiita häiriöille, joiden viimeaikainen yleistyminen uhkaa meriliikenteen turvallisuutta. GNSS-häirintä on viimeisen viiden vuoden aikana lisääntynyt erityisen voimakkaasti, ja tarve vaihtoehtoisten navigointimenetelmien kehittamiselle on tunnistettu maailmanlaajuisesti. Tutkimuksissa nousee esille, että ratkaisujen toteutuskelpoisuus vaihtelee huomattavasti sovellusalueen mukaan, ja merellinen ympäristö asettaa navigoinnille omat haasteensa. Tässä työssä tarkastelen eri ratkaisujen eroja ja erityisesti mitkä ominaisuudet ovat relevantteja meriympäristössä. Mahdollisena ratkaisuna työssä tutkitaan digitaalista tähtinavigointia, joka perustuu samoille menetelmille kuin perinteinen sekstanttipohjainen navigointi. Työssä hahmotellaan prototyyppi joka hyödyntää konenäköä, astronomisia tietoaineistoja ja edullisia kaupallisia komponentteja. Esitetty ratkaisu tunnistaa yötaivaasta otetuista kuvista tähtiä ja arvioi havaintipaikan sijaintia vertaamalla havaintoja tähtiaineistoihin. Prototyypin ohjelmistokomponentin toimintaa arvioidaan simulaation avulla. Tulokset osoittavat, että kilometriluokan tarkkuus on saavutettavissa tähtipaikannuksella, ja että tähtinavigoinnilla on potentiaalia itsenäisenä varanavigointimenetelmänä GNSS-signaalien puuttuessa.