USBL-Systeme sind akustische Ortungslösungen, mit denen Entfernung und Richtung von Unterwasserfahrzeugen, Messgeräten und Ausrüstung relativ zu einem Oberflächenschiff bestimmt werden. Mithilfe eines auf dem Schiff montierten Sende-Empfangsgeräts und eines kompatiblen Transponders oder Responders, der an einem ROV oder AUV installiert ist, ermöglichen sie Echtzeit-Verfolgung, Navigationskorrektur, Georeferenzierung bei Vermessungen, dynamische Positionierung sowie Notfallbergung.
In dieser Kategorie werden führende Anbieter von USBL-Systemen für die Navigation, Verfolgung und Ortung von ROVs und AUVs im Rahmen von Unterwasseroperationen vorgestellt.
Lesen Sie den Technologieübersicht
Modernste Navigations- und Ortungslösungen für unbemannte und robotergestützte Systeme
Hochpräzise Navigations- und Positionierungslösungen für unbemannte und autonome Fahrzeuge
Fortschrittliche Lösungen für die Unterwasserbildgebung und -ortung für unbemannte und autonome Wasserfahrzeuge
Tracking-, Navigations-, Positionierungs- und Kommunikationssensoren für AUV, ROV, USV
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Ultra-Short-Baseline-Systeme (USBL) bieten eine externe akustische Positionsreferenz für Unterwasserfahrzeuge und -ausrüstung, die in Bereichen eingesetzt werden, in denen Signale globaler Navigationssatellitensysteme nicht übertragen werden können. Eine typische Konfiguration besteht aus einem auf einem Schiff montierten akustischen Sende-Empfänger und einem kompatiblen USBL-Transponder oder -Responder, der an der Unterwasserausrüstung angebracht ist. Durch die Messung der Laufzeit und des Phasenankunftswinkels eines zurückgeworfenen akustischen Impulses ermittelt das System die genaue Entfernung und Richtung des Ziels relativ zum Oberflächenschiff, bevor diese relativen Vektoren in geografische Koordinaten umgerechnet werden.
Der operative Einsatz hängt stark von der jeweiligen Fahrzeugplattform ab. Bei einer USBL-Konfiguration für ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROV) bietet das System Piloten und Vermessungsteams während des gesamten Einsatzes – vom Start über die Einsatzphase bis zur Bergung – eine kontinuierliche USBL-Verfolgung in Echtzeit. Bei autonomen Plattformen nutzen die Bediener die USBL-Navigation, um den Missionsfortschritt von der Oberfläche aus zu überwachen und die kumulierte Abweichung der Trägheitssensoren an Bord des Fahrzeugs regelmäßig zu korrigieren.
Subsonus USBL-Unterwasser-Akustik-Positionierungssystem von Advanced Navigation
Die Hauptfunktion einer USBL-Ortungsanlage besteht darin, genau zu visualisieren, wo sich ein Unterwasserfahrzeug relativ zum Begleitschiff, zur Meeresbodeninfrastruktur und zu den geplanten Grenzen befindet. Die Software an Deck generiert fortlaufende Positionsbestimmungen, die direkt über digitalen Vermessungskarten oder vordefinierten Einsatzkorridoren angezeigt werden. In der ROV-Kontrollkabine ermöglichen diese Live-Daten dem Piloten, sich sicher an Strukturen anzunähern, die Auslenkung des Verbindungskabels zu überwachen und auch bei Nullsicht ein umfassendes räumliches Situationsbewusstsein aufrechtzuerhalten.
Da ein untergetauchtes autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV) keinen Zugang zu GNSS hat, muss es seine Position mittels Kursschätzung unter Verwendung eines internen Trägheitsnavigationssystems berechnen, unterstützt durch einen Doppler-Geschwindigkeitsmesser (DVL). Zwar liefern diese bordeigenen Sensoren hochfrequente Aktualisierungen, doch sammeln sich im Laufe der Zeit unvermeidlich kleine Abweichungen an, die zu einer Drift der berechneten Position führen. Ein leistungsstarkes USBL-Positionierungssystem liefert die erforderliche absolute geografische Referenz, um diesen kumulativen Fehler einzugrenzen, indem es akustische Rohmesswerte direkt in den Navigationsfilter des Fahrzeugs einbindet.
Für hochwertige hydrografische und geophysikalische Vermessungen müssen alle Sensorbeobachtungen an eindeutige geografische Koordinaten gebunden sein. Eine spezielle USBL-Vermessungskonfiguration erreicht dies durch die Georeferenzierung von Nutzlastsensoren, wie beispielsweise Multibeam-Sonaren oder Sub-Bottom-Profilern, die am Fahrzeug montiert sind. Die Software verknüpft die akustischen Positionsdaten mithilfe präziser Zeitsynchronisation mit der exakten Lage des Fahrzeugs und den physikalischen Sensor-Offsets, um räumliche Fehler während der Bewegung zu beseitigen.
Ein robustes akustisches USBL-Positionierungssystem kann zudem als wichtige akustische Positionsreferenz für das dynamische Positionierungssystem eines Schiffes dienen. In diesem Betriebsmodus werden ein oder mehrere Transponder an bekannten, stabilen Stellen auf dem Meeresboden verankert, sodass der Transceiver des Schiffes die relative Entfernung und den Winkel zu diesen festen Punkten berechnen kann. Diese akustische Reserve ist entscheidend für die Automatisierung und die Positionshaltung, wenn GNSS-Signale durch Offshore-Anlagen gestört werden.
Sollte ein Unterwasserfahrzeug einen kritischen Ausfall der Primärstromversorgung, des Antriebs oder der Hauptkommunikation erleiden, übernimmt das USBL-System eine entscheidende Rolle bei der Bergung. Durch die Ausstattung des Fahrzeugs mit einem Transponder, der über eine unabhängige Pufferbatterie verfügt, wird sichergestellt, dass das Oberflächenschiff das Fahrzeug auch nach einem vollständigen Ausfall des Fahrzeugs weiterhin orten kann. Diese Ortungsdaten grenzen den Suchradius an der Oberfläche ein und geben Aufschluss darüber, ob das Fahrzeug schwimmt, treibt oder auf dem Meeresboden ruht.
Ranger 2 USBL für AUVs und ROVs von Sonardyne
Der auf dem Schiff montierte akustische Transceiver ist das zentrale Hardware-Element des Oberflächensystems und für die Erzeugung der Abfrageimpulse sowie die Verarbeitung der Antworten aus der Unterwasserwelt zuständig. Er ermittelt die Entfernung zum Ziel durch Messung der akustischen Laufzeit und leitet gleichzeitig die Ankunftsrichtung ab, indem er die winzigen Phasendifferenzen der eintreffenden Wellenfront über seine integrierten Empfangselemente auswertet. Für eine zuverlässige Leistung muss die Vorderseite des Sende-Empfangsgeräts deutlich unterhalb der mit Luft durchsetzten Wasseroberfläche und außerhalb des Propellerstrahls angebracht werden.
Ein USBL-Wandlerarray beherbergt mehrere eng beieinanderliegende akustische Elemente in einem einzigen, kompakten Kopf. Der Begriff „ultrakurz“ bezieht sich ausdrücklich auf den engen, im Zentimeterbereich liegenden Abstand zwischen diesen internen Elementen und steht im Gegensatz zu den großen Basislinien älterer akustischer Verfahren. Diese kompakte Architektur macht die Installation mehrerer separater Hydrophone am Schiffsrumpf überflüssig, wobei sich jedoch kleine Phasenmessfehler mit der Entfernung vergrößern.
Unterwasserziele sind auf einen USBL-Transponder angewiesen, um Abfrageimpulse zu empfangen und codierte akustische Antworten an die Oberfläche zurückzusenden. Alternativ kann eine ROV-USBL-Konfiguration einen Responder verwenden, der über das Versorgungskabel elektrisch ausgelöst wird, um akustische Abfrageverzögerungen zu beseitigen und die Aktualisierungsraten zu erhöhen. Bei AUVs sind diese Instrumente unter strengen Größen-, Gewichts- und Leistungsbeschränkungen ausgelegt, um die Batterielebensdauer des Fahrzeugs zu schonen.
Da ein USBL-System lediglich die relative Position berechnet, ist ein hochwertiger GNSS-Empfänger unerlässlich, um absolute geografische Koordinaten zu ermitteln. Die Software an Deck muss kontinuierlich präzise Hebelarmmessungen anwenden, um die physikalische Entfernung zwischen der GNSS-Antenne und dem untergetauchten Transceiverkopf zu berücksichtigen. Jede Koordinatenabweichung oder jeder nicht gemessene Versatz führt unmittelbar zu systematischen Positionsfehlern auf dem Meeresboden.
Da das Oberflächenschiff ständig Nick- und Rollbewegungen ausführt, ist eine Bewegungsreferenz-Einheit erforderlich, um die akustischen Messungen zu stabilisieren. Dank hochfrequenter Lage- und Neigungsdaten kann die Software die akustischen Rohwinkel in ein stabiles Koordinatensystem projizieren und so die Schiffsbewegungen neutralisieren. Da bereits geringfügige Winkelabweichungen in der Tiefe zu erheblichen Positionsabweichungen führen, integrieren fortschrittliche Systeme den Bewegungssensor häufig direkt in das Gehäuse des Sende-Empfängers.
Die Schallgeschwindigkeit im Wasser bestimmt, wie die Laufzeit in eine physikalische Entfernung umgerechnet wird, und legt fest, wie sich Schallwellen durch verschiedene Wasserschichten ausbreiten. Ein lokaler Schallgeschwindigkeitssensor an der Vorderseite des Sende-Empfangsgeräts liefert die für sofortige Phasenberechnungen erforderlichen Daten, während regelmäßige Profiler-Messungen die Wassersäule abbilden. Ohne genaue, aktuelle Profildaten verzerrt die Lichtbrechung sowohl die berechnete Tiefe als auch die horizontale Position.
Um die richtige Positionierungstechnologie auszuwählen, müssen Ingenieure die Leistung eines USBL-Unterwasser-Positionierungssystems mit alternativen akustischen Methoden vergleichen.
Posidonia, USBL-Positionierung und -Verfolgung, von Exail
Long Baseline ( LBL): LBL nutzt ein Raster aus mehreren Transpondern am Meeresboden, um eine hochpräzise, tiefenunabhängige Positionierung zu ermöglichen, erfordert jedoch einen erheblichen Zeitaufwand für die Installation.
Während sich LBL und Kurs- und Positionsberechnung bei lokalisierten oder autonomen Aufgaben besonders bewähren, bleibt USBL die bevorzugte Wahl für schnelle, schiffsgestützte Einsätze.
Die Wahl einer optimalen USBL-Konfiguration erfordert die Abwägung der Einsatzumgebungen mit fahrzeugspezifischen Einschränkungen.
Letztendlich muss das ideale System eine verifizierte Positionsgenauigkeit innerhalb Ihrer spezifischen Betriebsgrenzen und Plattformschnittstellen gewährleisten.
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