Gesellschaft für Geosystemanalyse

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Nortek und DVLs

Die Zuverlässigkeit von Navigationssystemen, welche auf Unterwasserfahrzeugen zum Einsatz kommen, hängt u.a. von der Qualität integrierter DVLs ab.

Ein DVL ist ein akustisches Doppler-Instrument ähnlich akustisch profilierender Doppler-Strömungsmesser. Es verfügt über akustische Strahlen, welche in divergierender, konvexer Konfiguration angeordnet sind und zeichnet Fließgeschwindigkeiten entlang jedes Schallstrahls relativ zur Fortbewegung über Grund mit den Erdkoordinaten als Referenz auf.

Im autonomen Betrieb liefert ein DVL Anhaltspunkte zur Abschätzung einer zurückgelegten Strecke und berechnet die aktuelle Position mittels Koppelnavigation. Für AUVs und ROVs ist dies jedoch nicht ausreichend, weshalb DVLs nur eine von mehreren Komponenten einer Navigationslösung darstellen. Diese benötigen zusätzlich Inertialsensoren, Kompass, akustische Positionsbestimmung, Drucksensoren und Sohl-Abstandsmessung. Die Schätzungen werden mithilfe mathematischer Verfahren, wie bspw. Kalman-Filter, für eine Positionsberechnung korrigiert. Eine nicht vorhandene Verzerrung und Drift sind die Vorteile des DVL. Dessen Einsatz ist unverzichtbar, da die Positionen ohne DVL über die Zeit eine zunehmende Abweichung aufweisen würde. DVLs dienen insofern der Eliminierung kumulativer Fehler innerhalb von Navigationssystemen.

Norteks Voraussetzungen als Hersteller von DVLs

Aufgrund langjähriger Erfahrungen als Hersteller akustischer Doppler-Instrumente ist Nortek für die Entwicklung von DVLs hervorragend aufgestellt. Akustische Doppler-Navigation fällt in die Kernkompetenz und die entwickelten DVLs sind die letzten Instrumente der mit leistungsstarken Prozessoren ausgestatteten neuen AD2CP-Plattform von Nortek. Diese entsprechend aufgrund geringen Stromverbrauchs, außergewöhnlicher Reichweite, hoher Genauigkeit sowie geringer Größe dem neuesten Stand der Technik. Nortek-DVLs übertreffen wichtige Spezifikationen von Vergleichsprodukten anderer Hersteller.

Ergänzend anzuführen ist die Beteiligung von Nortek am Volvo Ocean Race (2011-2012). Das Puma Ocean Racing Team war mit einem DVL zur Aufzeichnung der Fahrt durch Wasser und für eine verbesserte Kursfindung durch Ermittlung von Abdrift und Strömungen ausgestattetet, was eine Innovation im Segelsport bedeutete. Weiteres dazu unter dem folgenden PUMA Link.

Gründe zur Verwendung von Nortek DVLs

1. Moderne Elektronik

Nortek hat DVLs auf der AD2CP-Plattform aufbauend entwickelt, welche innerhalb dieser Familie von Messgeräten die modernste Elektronik nutzen. Ein erweiterter Anwendungsbereich wird durch reduzierte Größen und Stromverbrauch ermöglicht, weshalb nun auch für kleine Unterwasserfahrzeuge präzise Navigation zu realisieren ist. Bottom tracking hängt nicht mehr lediglich vom Spannungseingang ab, sondern ist nun eine zu konfigurierende Ausgangsleistung.

Die patentierte AD2CP-Plattform ermöglicht Nortek eine hohe Flexibilität im Firmware-Design und der Entwicklung von Instrumenten, die verschiedenen Prozesse gleichzeitig ausführen. Beispielsweise können Pings für Bottom Tracking und für Water Tracking verwendet werden und somit zusätzlichen Nutzen generieren.

Hervorzuheben ist auch der komplett neue Algorithmus für Bottom Tracking, welcher sowohl längere Reichweiten als auch kürzere Distanzen zu Begrenzungen ermöglicht als jedes andere DVL gleicher Frequenz.

Moderne AD2CPs bieten:

2. Zuverlässigkeit

Nortek-Produkte durchlaufen permanent Verbesserungs- und Überarbeitungs-Prozesse. Zwanzig Jahre in der Entwicklung von Unterwassermessgeräten für extreme Einsatzbedingungen bedeuten eine umfassenden Erfahrungsschatz zur Herstellung verlässlicher Messtechnik. Zur Vermeidung von Risiken durch Beschädigung und Eindringen von Wasser werden verbaute Komponenten ebenfalls verschiedenen Auswahlverfahren unterzogen. Für lange Einsätze bei arktischen Temperaturen und in großen Tiefen wurden zuverlässige Steckverbindung, rostfreie Materialien und in Epoxidharz vergossene Wandler ausgewählt. Hunderte von Messgeräten wurden seit der Einführung der AD2CP-Plattform erfolgreich für autonome Einsätze installiert oder in Unterwasserfahrzeuge integriert.
Folgende Eigenschaften belegen die Zuverlässigkeit:

3. Kompatibilität

In der Meerestechnik nimmt die Zahl kleiner, mobiler und multifunktionaler Plattformen für Sensoren zu. Die Nortek DVLs sind deshalb für erleichterte Integration und Modifikation konzipiert. Sowohl serielle als auch Ethernet-Kommunikation sind möglich, die mit herkömmlichen Formaten kompatibel sind aber auch in neue sowie kundenspezifische Systeme integriert werden können. Fahrzeuge die mit älteren DVLs ausgestattet sind, können für eine Übergansphase die Kompatibilität mit bestehenden Befestigungslösungen und Datenformaten nutzen. So bietet Nortek Befestigungen mit zwei Führungsbolzen an, was für ältere DVL häufige Verwendung fand. Weiter werden PD-Formate unterstützt. Anwender können die Nortek DVLs1000 oder 500 so problemlos einbauen und anschließend Ihre Strukturen sukzessive für einen verbesserten und unkomplizierteren Umbau anpassen.

Besondere Merkmale sind:

4. Präzision in der Navigation

Die Genauigkeit der Nortek DVLs, welche Erfordernisse der weitest entwickelten AUVs einhält bzw. übertrifft ist dokumentiert. Bestimmte Eigenschaften erlauben es diesen Level zu erreichen. Das proprietäre Datenformat enthält präzise Zeitstempel für jeden Ping jedes Signalgebers zur Synchronisierung der inertialen und der Doppler-Messungen. Weiter enthalten die Daten für jeden Ping Qualitätsparameter zur Abschätzung des Hintergrundrauschens, welcher in Echtzeit in fortgeschrittene Kalman-Filter und Qualitätskotrollen eingeht. Navigation der neuesten Generation benötigt ausreichende Datenkontrollen, was von Nortek mittels erweiterter Datensätze geliefert wird.

Besondere Merkmale:

DVL 1000

Das DVL1000 ist ein kleines kompaktes DVL mit reduziertem Maß und Gewicht und für Anwendungen mit begrenzten Zuladungsmöglichkeiten geeignet. Trotz geringer Grüße verfügt es über eine außergewöhnliche Reichweite.


Schlüsselmerkmale:

Unbemannte Unterwasserfahrzeuge werden tendenziell kleiner und flexibler. Dazu passend hat Nortek das kleinste DVL in dieser Branche entwickelt, welches dennoch keine Kompromisse eingeht. Sowohl eine Bottom-Track-Reichweite von 50 m als auch Tracking bis lediglich 20cm Abstand sind möglich.

Leistungsevaluierung

Es wurden umfangreiche Tests durchgeführt. Hervorzuheben ist eine Evaluierung in Zusammenarbeit mit iXblue Rovins, was nicht nur die vertiefte Integration beider Systeme belegt, sondern zusätzlich die Gelegenheit bietet, die Leistung des DVL zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass das DVL1000 bestens geeignet ist, eine hohe Langzeitgenauigkeit als Beitrag für inertiale Unterwassernavigationssysteme zu liefern.

Testergebnisse des DVL1000. Positionsfehler werden als prozentualer Fehler in Bezug zur zurückgelegten Strecke angegeben. Die Spezifikationen des DVL1000 nennen dafür 0,2%, was deutlich übertroffen wurde.

Diese Evaluierung fand in unterschiedlichen Tiefen statt. Die ermittelten Positionen wurden mittels referentiellem GPS überprüft. Der Ablauf enthielt eine Kalibrierungsstrecke von 4 km gefolgt von einer Reihe von Validierungsstrecken. Anschließende Streckenbefahrungen erfolgten unabhängig voneinander, als einfache Fahrten und in Höhen über der Sohle von 15 bis 45 m. Die folgende Grafik veranschaulicht die Genauigkeit und die Höhen des DVL.

Die Ergebnisse demonstrieren, dass das Nortek DVL bestens im Bereich der für das iXBlues INS geforderten Genauigkeit von 0,2 % liegt. Das DVL belegt damit auch seine eigenen Spezifikationen, welche diese Genauigkeit ebenfalls mit 0,2 % angeben.

Weitere Informationen:

Operators Manual und Quickstart Manual können von der Nortek-Seite heruntergeladen werden.

Das DVL Integrators Guide finden Sie ebenfalls auf der Nortek-Seite wie die auszufüllende End User Declaration für den Export.

Datenblätter, Veröffentlichungen und Anwendungshinweise:

Nortek DVL Datasheet
Validation of a New Generation DVL
Application Note

DVL 500

Das DVL500 ist die ideale Wahl für größere unbemannte Fahrzeuge, da es Reichweiten-Spezifikationen von DVLs mit ähnlicher Frequenz und Größen übertrifft, während es zusätzlich in wesentlich größerer Nähe zu Begrenzungen funktioniert, als andere DVL mit hoher Frequenz.

Das Nortek DVL500 gibt eine Bottom-Tracking-Reichweite von 200 Meter an, was die Reichweiten von 300 kHz DVLs erreicht. Weiter misst es noch erfolgreich in einer Sohlnähe von 30 cm, ähnlich dem 1200 kHz DVL. Branchenführer bestätigen eine aussergewöhnliche Genauigkeit. Ein Standard-Gerät kann 6 verschiedene Produkte ersetzen, was einen kosteneffizienten Gerätepool ermöglicht.

Schlüsselmerkmale:

Kompatibilität

Sowohl serielle als auch Ethernet-Kommunikation werden angeboten, die mit herkömmlichen Formaten kompatibel sind und auch in neue kundenspezifische Systeme integriert werden können. Fahrzeuge die mit älteren DVLs ausgestattet sind, können für eine Übergansphase die Kompatibilität mit bestehenden Befestigungslösungen und Datenformaten nutzen. So bietet Nortek Befestigung mit zwei Führungsbolzen an, was für ältere DVL häufige Verwendung fand. Weiter werden PD-Formate unterstützt. Anwender können die Nortek DVLs1000 oder 500 so problemlos einbauen und anschließend Ihre Strukturen sukzessive für einen verbesserten und unkomplizierteren Umbau anpassen.

Leistungsevaluierung

Nortek arbeitet kontinuierlich an der Weiterentwicklung und Verbesserung von Leistungsfähigkeiten der DVLs. In diesem Zusammenhang gab es zwei unabhängige Evaluierungen, die den Leistungsumfang der DVL500 belegen.

1. Evaluierung durch einen Hersteller von AUVs

Nortek kooperiert mit einem in Norwegen ansässigen AUV-Hersteller mit hohen Ansprüchen an präzise Navigation für Erkundungsfahrten. Abweichungen von einigen Metern werden bei Strecken von mehreren Kilometern nicht akzeptiert. Der erfolgreiche Betrieb des AUV hängt von der Ausstattung mit hoch-präzisen Sensoren ab, was inertiale Sensoren, Sensoren für akustisch Positionierung und DVLs einschließt.

Im Rahmen eines Standardverfahrens erfolgte für das AUV des Herstellers eine Evaluierung des DVL500 einschließlich einer mehrere Kilometer umfassenden Kalibrierungsstrecke, welche Mittelwerte lieferte um Verzerrungen, Fehlausrichtungen und statische Fehler zu eliminieren. Die langfristige Genauigkeit konnte mittels Koppelnavigation und Positionsschätzung des DVLs sowie des Kurses ermittelt werden. Bei Einhaltung eines genauen Steuerkurses können Fehler dann auf das DVL zurückgeführt werden.
Die Abbildung zeigt den Kurs für die Kalibrierung und die Durchgänge zur Verifizierung.

Die Karte enthält die Kalibrierungsstrecke und die kürzeren Validierungsdurchläufe.

Die Resultate waren bemerkenswert. Verschiedene Durchgänge erfolgten in unterschiedlichen Sohlabständen. Die Geschwindigkeit des AUVs lag bei 2m/s. Der folgende Plot fasst die Fehlerschätzung des DVLs zusammen:

Die oberen drei Grafiken geben den absoluten Fehler der AUV-Position ausschließlich auf Basis des Richtungssensors und des DVLs an. Die untere Grafik enthält den dreidimensionalen Fehler als prozentualen Fehler von der zurückgelegten Strecke.

Herauszuheben ist, dass die spezifizierte Langzeitgenauigkeit des DVL mit 0,2% angegeben wird, die Ergebnisse aber eine Genauigkeit von 0,02 % belegen, was die Spezifikationen um eine Größenordnung übertrifft. Die folgende Veröffentlichung beschreibt Ablauf und Ergebnisse im Detail.

2.) Evaluierung mit iXBlue Rovins

Diese Versuchsreihe erfolgte, um eine ausreichende Langzeitgenauigkeit des DVL für eine Unterstützung der iXBlue-Ausstattung des Subsea Inertial Navigation Systems nachzuweisen. Die Strecken wurden mit einem Fahrzeug an der Oberfläche und bei unterschiedlichen Sohlabständen durchgeführt. Das DVL wurde mit einem iXBlue Rovins gekoppelt. Die Positionsbestimmung erfolgte mit einem differentiellen GPS. Die Evaluierung beinhaltete einen 4 km langen Kalibrierungskurs gefolgt von Validierungsdurchgängen, welche unabhängig als Einfachfahrten und mit Sohlabständen von 15 m bis 85 m stattfanden. Die Abbildung zeigt die Route in Küstennähe bei La Ciotat, Frankreich.

Evaluierungsstrecke für DVL500 bei La Ciotat, Frankreich. Leistungstest mit ROVINS.Die Tiefen liegen bei 15 m in Nähe der Küstenlinie und bei 85 m in den äußeren Bereichen.

Die unten stehende Abbildung enthält erneut die Kopplungspositionen, ermittelt mit einem DVL500 und dem ROVINS Richtungssensor. Die Langzeitgenauigkeit übertrifft die Anforderungen des iXBlue’s INS von 0,2 % deutlich. Die unabhängig durchgeführten Evaluierungen zeigen, dass das Nortek DVL für eine Einbindung in iXBlue-Systeme bestens geeignet ist.

Testergebnisse des DVL500. Positionsfehler werden als prozentualer Fehler in Bezug zur zurückgelegten Strecke angegeben. Die Evaluierung wurde für unterschiedliche Höhen über Grund durchgeführt.

Weitere Informationen:

Operators Manual und Quickstart Manual können von der Nortek-Seite heruntergeladen werden.

Das DVL Integrators Guide finden Sie ebenfalls auf der Nortek-Seite wie die auszufüllende End User Declaration für den Export.

Datenblätter, Veröffentlichungen und Anwendungshinweise:

Nortek DVL Datasheet
Validation of a New Generation DVL
Application Note

Kundenspezifisches DVL

AUVs stellen an Navigationslösungen Ansprüche sowohl aufgrund beschrenkter räumlicher Bedingungen als auch aufgrund benötigter Strapazierfähigkeit und Genauigkeit. Nortek orientiert sich deshalb speziell an Anforderungen von Herstellern kleinerer Unterwasserfahrzeuge.

Artemis Pro von Blueprint mit auf der Unterseite integriertem DVL, erkennbar an Spiegelung.

Verschiedene Firmen haben sich für eine vertiefte Zusammenarbeit an Nortek gewandt um neuartige Anordnungen von Signalgebern, Sensorkompatibilitäten und Systemevaluierungen zu entwerfen und durchzuführen.
Schlüsselfaktoren für kundenspezifische Entwicklungen:

Weitere Informationen:

Operators Manual und Quickstart Manual können von der Nortek-Seite heruntergeladen werden.

Das DVL Integrators Guide finden Sie ebenfalls auf der Nortek-Seite wie die auszufüllende End User Declaration für den Export.

Datenblätter, Veröffentlichungen und Anwendungshinweise:

Nortek DVL Datasheet
Validation of a New Generation DVL
Application Note

AD2CP-Gleiter

Der Nortek-AD2CP-Gleiter bietet beispiellose Möglichkeiten zur Erfassung vollständiger Strömungsprofile in Ozeanen. Geringe physikalische Abmaße mit geringem Stromverbrauch und fortgeschrittener Broadband-Signalverarbeitung erlauben ein weites Anwendungsspektrum. Voll integrierte Lösungen sind für den Kongsberg-Seaglider, Scripps Spray Glider und den Web Slocum Glider vorhanden.

Gleiter bieten hervorragende Gelegenheiten genauer Strömungsmessungen in Ozeanen. Der typische auf- und absteigende Kurs mit Profilen bis in Tiefen von 1000 m und Längen von hunderten von Kilometern liefert Daten mit hoher horizontaler und vertikaler Auflösung. Die Verwendung von Nortek-AD2CP-Gleitern bietet wesentlich erweiterte Interpretationsmöglichkeiten zusätzlich zu stationärer Sensorik. Weiter können die erfassten Geschwindigkeiten helfen die mittels Koppelnavigation erhaltene Positionierung zu korrigieren und die Gleiternavigation sowie die Ortsbestimmung zu verbessern. Die Nutzung initialer Positionen an der Oberfläche mittels GPS und die gemessene Geschwindigkeit ermöglichen bei Integration der Geschwindigkeitsaufzeichnungen die Verortung während der gesamten Gleiterfahrt.

2005 begann Nortek die Zusammenarbeit mit Forschern und Experten aus der Industrie zu spezialisierten Doppler-Strömungsprofilern und angepasster Datenprozessierung für gleiterbasierte Strömungsmessungen und entwickelte nach einer langen Testreihe die Nortek-AD2CP-Gleiter-Plattform mit echtem Broadband-Modus.

Folgende Eigenschaften der AD2CP-Gleiter ergeben eine hohe Leistungsfähigkeit für vielfältige Gleiter-Plattformen:

Integration in Spray Glider

Integration in SeaGlider

Integration in Slocum Glider

Der AD2CP-Glider

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