Randy  Soto  &  Oscar  Gonzalez  Advisors:  Liz  Lennon  &  Hugh  Roarty  

Final  Presentation:  July  25,  2013  

 DHS  Acknowledgement  and  Disclaimer:  

   "This  material  is  based  upon  work  supported  by  the  U.S.  Department  of  Homeland  Security  under  Grant  Award  Number  2008-­‐ST-­‐061-­‐ML0002."  The  views  and  conclusions  contained  in  this  document  are  those  of  the  authors  and  should  not  be  interpreted  as  necessarily  representing  the  official  policies,  either  expressed  or  implied,  of  the  U.S.  Department  of  Homeland  Security."    

Overview   How  HF  Radar  helps  with  Coast  Guard  Missions  

 Motivation  and  Conceptual  Approach  

 Approach  Implementation  

 Analysis  and  Visualization  of  our  Sample  data  

 Conclusions  

  Future  Works  

Coast  Guard  Missions    Ports,  waterways,  and  coastal  security  

  Drug  interdiction  

  Aids  to  navigation  

  Search  and  rescue  

  Living  marine  resources  

 Marine  environment  protection  

  Ice  operations  

  Other  law  enforcement  

Applica=ons  of  HF  Radar  (Relevant  to  Coast  Guard  Missions)   Circulation  

 Oil  Spill  /  Pollution  

 Search  and  Rescue  

 Beach  Closures  

 Natural  Disaster  Detection  

 Maritime  Safety  

 Fisheries  

 Green  Energy  

 Water  Quality  

 Recreation  

HF  Radar  Applica=ons  vs  CG  Missions  Coast  Guard  Missions  

Coastal  Security  

Drug  Interdiction  

Aids  to  Navigation  

Search  and  

Rescue  

Living  Marine  

Resources  

Marine  Safety  

Defense  Readiness  

Migrant  Interdiction  

Marine  Environment  Protection  

Ice  Operations  

Other  Law  Enforcement  

HF  Ra

dar  A

pplic

ations

 

Circulation   ✓   ✓                               ✓  

Pollution                   ✓               ✓          

Search  and  Rescue           ✓   ✓                              

Beach  Closures   ✓                                          

Natural  Disaster  Detection  

                        ✓       ✓          

Maritime  Safety   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓  

Fisheries                   ✓                       ✓  

Mo=va=on  (Why?)    Integrate  HF  radar  in  decision-­‐support  systems  to  augment  maritime  domain  awareness.  

  Improve  visualization  of  HF  radar  &  present  it  in  a  clearer  way.    

Conceptual  Approach  (How?)   Develop  algorithm  to  compare  AIS  &  HF  Radar  data  to  determine  if  they  represent  the  same  vessel.    

 Use  output  to  display  the  clearest  picture  of  vessels  in  a  region,  i.e.  remove  redundant  info.    

MATLAB  Implementa=on   Calculate  error  between  each  individual  element  in  XAIS  with  respect  to  all  elements  in  XHF.  

  i.e.  ||  XAIS  –  XHF||  =  εi,j  

MATLAB  Implementa=on    Find  minimum  in  each  row  of  the  error  matrix  that  must  also  be  less  that  or  equal  to  some  threshold.  

  Find  minimum  of  the  minimums  obtained  in  each  row;  then  remove  from  XHF  coordinates  that  correspond  to  row  index  of  final  minimum  obtained  for  each  column.    

Java  Implementa=on  AIS  List   Hidden  List  

  (𝑥↓1 , 𝑦↓1 )  

  (𝑥↓2 , 𝑦↓2 )  

  (𝑥↓3 , 𝑦↓3 )  

  (𝑥↓4 , 𝑦↓4 )  

  (𝑥↓5 , 𝑦↓5 )  

  (𝑥↓4 , 𝑦↓4 )  

HF  List  

  (𝑥↓1 , 𝑦↓1 )  

  (𝑥↓2 , 𝑦↓2 )  

  (𝑥↓3 , 𝑦↓3 )  

  (𝑥↓4 , 𝑦↓4 )  

  (𝑥↓5 , 𝑦↓5 )  

Distances  

  (𝑑↓1 )  

  (𝑑↓2 )  

  (𝑑↓3 )  

  (𝑑↓4 )  

  (𝑑↓5 )  

Java  Implementa=on  AIS  List   Hidden  List  

  (𝑥↓1 , 𝑦↓1 )  

  (𝑥↓2 , 𝑦↓2 )  

  (𝑥↓3 , 𝑦↓3 )  

  (𝑥↓4 , 𝑦↓4 )  

  (𝑥↓5 , 𝑦↓5 )  

  (𝑥↓4 , 𝑦↓4 )  

HF  List  

  (𝑥↓1 , 𝑦↓1 )  

  (𝑥↓2 , 𝑦↓2 )  

  (𝑥↓3 , 𝑦↓3 )  

  (𝑥↓5 , 𝑦↓5 )  

  (𝑥↓2 , 𝑦↓2 )  

Distances  

  (𝑑↓1 )  

  (𝑑↓2 )  

  (𝑑↓3 )  

  (𝑑↓5 )  

Java  Implementa=on  AIS  List  

  (𝑥↓1 , 𝑦↓1 )  

  (𝑥↓2 , 𝑦↓2 )  

  (𝑥↓3 , 𝑦↓3 )  

  (𝑥↓4 , 𝑦↓4 )  

  (𝑥↓5 , 𝑦↓5 )  

HF  List  

  (𝑥↓1 , 𝑦↓1 )  

  (𝑥↓3 , 𝑦↓3 )  

  (𝑥↓5 , 𝑦↓5 )  

   

 Ini%al  Results  La

titude

 

Longitude  

HF  Radar  Detections  and  AIS  after  Processing  

Vessel  NOT  on  AIS  

Likely  path  of  vessel  during  

AIS  gap  

Rang

e  (km)  

Time  

Range  vs.  Time  

Flow  Diagram  for  the  Determina=on  of  Possible  Vessels  Trajectories  

Classify  HF  Radar    pepper  plots  in  the  Range  vs.  Time    plot  

 by  groups.  

Eliminate  any  datum  that  deviates  from  the  centroid  of  the  group  that  it  belongs  by  at  

least  2σ.  

Map  in  coordinate  system  remaining  pepper  plots  within  each  group  using  its  

corresponding  coordinates.    

Latitude

 

Longitude  

Pepper  Plots  Classified  by  Groups  

Latitude

 

Longitude  

Pepper  Plots  Classified  by  Groups  aQer  Elimina=ng  Data  that  Deviate  from  Centroid  

Latitude

 

Longitude  

Pepper  Plot  Anima=on  Video  

Associated  HF  Radar  and  AIS  Data  Using  Range  Only  La

titude

 

Longitude  

Summary   A  list  of  advantages  that  HF  radars  provide  to  the  Coast  Guard  were  enumerated.  

 Algorithms  for  processing  HF  radar  data  in  order  to  augment  information  provided  by  AIS  with  unreported  vessel  detections  were  discussed.  

 An  alternative  way  for  utilizing  HF  radar  data  to  approximate  the  number  of  vessels  within  a  region  and  their  possible  trajectories  was  also  discussed.  

 

Concurrent  Efforts   A  script  for  projecting  vessel  trajectories  was  written  which  interpolates  AIS  range  vs.  time  plots  for  each  vessel  and  then  compares  it  to  HF  radar  data.  

 A  script  that  classifies  clusters  of  data  points  in  range  vs.  time  plots  was  written.  

 A  script  was  written  that  along  with  plotting  HF  Radar  and  AIS  data  it  assigns  each  datum  a  color  which  denotes  its  time  stamp.  

Future  Work   Test  and  improve  algorithms  that  classifies  clusters  of  data  points  in  range  vs.  time  plots.  

  Implement  scripts  written  on  MATLAB  on  an  open  source  software.  

 Test  algorithms  on  more  data  sets  and  make  any  adjustments  necessary  from  results.