Unterwassernavigationssysteme kombinieren Trägheits-, Akustik-, Geschwindigkeits-, Tiefen- und Kurssensoren, um Positions- und Bewegungsdaten zu liefern, wenn GNSS unter der Wasseroberfläche nicht verfügbar ist. Diese Systeme kommen in U-Booten, AUVs, UUVs, ROVs, Tauchersystemen und Plattformen zur Beförderung von Nutzlasten zum Einsatz.
Auf dieser Seite werden Anbieter von Unterwassernavigationssystemen vorgestellt, darunter INS, DVL, akustische Ortungssysteme, Kompasse, Höhenmesser und sonarbasierte Navigation für marine Anwendungen.
Lesen Sie den Technologieübersicht
Fortschrittliche Trägheitsnavigationssysteme (INS) für zuverlässige Navigation in anspruchsvollen Einsatzumgebungen
Modernste Trägheitslösungen für hochpräzise Navigation und Positionierung in Umgebungen ohne GPS-Empfang
Fortschrittliche Lösungen für die Modernisierung der Verteidigung: Antriebe, Sensoren, Kommunikation und Augmented-Reality-Systeme
Autonome Militärrobotik und -technologien | Amphibische Kettenfahrzeuge
Taktische IMU-, GPS/INS- und Waffenausrichtungslösungen
Zuverlässige Lösungen für Position, Navigation und Zeitgebung (PNT) für Militär und Verteidigung
Hochpräzise MEMS-, Quarz- und FOG-Trägheitssensorsysteme für Militär-, Luftfahrt- und Verteidigungsanwendungen
Hochleistungsfähige faseroptische, Ringlasergyro- und MEMS-Trägheitssensoren und Navigationssysteme
Unterwasser-Sensoren, Kommunikations-, Bildgebungs-, Steuerungs- und Navigationslösungen für Seestreitkräfte
Marine- und Unterwassernavigation, Positionierungs- und Vermessungstechnologien für Marine- und Verteidigungsanwendungen
Autonome Systeme, Unterwassersensorik und Unterwassertechnologien für die maritime Verteidigung
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Unterwassernavigationssysteme ermöglichen es U-Booten, unbemannten Unterwasserfahrzeugen (UUVs), Tauchern und anderen Unterwasserplattformen, Bewegung, Ausrichtung, Tiefe und Position zu bestimmen, wenn keine Satellitennavigation verfügbar ist. Im Gegensatz zur Navigation an der Oberfläche muss die Unterwassernavigation ohne kontinuierlichen Empfang des Globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) auskommen und kombiniert daher Trägheits-, Akustik-, Geschwindigkeits-, Tiefen- und Kurssensoren.
Ein modernes Unterwassernavigationssystem stützt sich eher auf die Integration verschiedener Sensoren als auf ein einzelnes Navigationsgerät. Einsatzdauer, Genauigkeit, Fahrzeuggröße, Einsatztiefe, Abstand zum Meeresboden, akustische Bedingungen und verfügbare Navigationshilfen beeinflussen die Architektur. Da herkömmliche GNSS-Signale keine kontinuierliche Positionsbestimmung unter Wasser gewährleisten können, erfordert die Unterwasser-GPS-Navigation in der Regel das Auftauchen, eine freiliegende Antenne oder Boje oder eine andere Methode zur Übertragung extern ermittelter Positionsdaten an die Unterwasserplattform.
TALIN Marine-Trägheitsnavigationssystem von Honeywell Aerospace
Bei der Unterwasser-Trägheitsnavigation werden Gyroskope und Beschleunigungssensoren eingesetzt, um Lage, Geschwindigkeit und Bewegung ausgehend von einem bekannten Startpunkt zu schätzen. Diese Sensoren sind üblicherweise in einer Trägheitsmesseinheit (IMU) untergebracht, während ein Trägheitsnavigationssystem (INS) zusätzlich Navigationsberechnungen und Fehlerabschätzungen durchführt. Lage- und Kursreferenzsysteme (AHRS) können Orientierungsdaten für kleinere Plattformen liefern oder Teil eines umfassenderen Unterwassernavigationssystems sein. Da sich Abweichungen, Ausrichtungsfehler und Sensorrauschen mit der Zeit akkumulieren, wird die Leistung des INS in der Regel durch weitere Navigationshilfen verbessert.
Doppler-Geschwindigkeitsmesser (DVLs) messen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs akustisch, in der Regel relativ zum Meeresboden, sofern eine Bodenverankerung verfügbar ist. DVL-Daten können mit INS-Messungen fusioniert werden, um Fehler bei der Koppelnavigation zu begrenzen, wodurch die INS/DVL-Integration zu einer gängigen Grundlage für die AUV-Navigation wird. Die Bodenverfolgung hängt von der Höhe und dem Rücklaufsignal vom Meeresboden ab. Wasserbahnmessungen können eine Alternative darstellen, wenn die Bodenverfolgung nicht verfügbar ist, wobei die gemessene Geschwindigkeit dann relativ zum umgebenden Wasser ist.
Die akustische Navigation liefert externe Messdaten, mit denen eine bordseitige Navigationslösung korrigiert oder eingeschränkt werden kann. Long-Baseline- (LBL), Short-Baseline- (SBL) und Ultra-Short-Baseline- (USBL) Systeme nutzen akustische Messungen zwischen einem Fahrzeug und bekannten Referenzpunkten, während Transponder und Baken zusätzliche Positionsbestimmungen liefern können. Diese akustischen Unterwassernavigationstechniken tragen dazu bei, die Trägheitsdrift zu kontrollieren, erfordern jedoch unter Umständen eine installierte Infrastruktur, ein Oberflächenschiff oder externe Ausrüstung. Schwankungen der Schallgeschwindigkeit, Mehrwegausbreitung, Entfernung und Referenzgeometrie können die Genauigkeit beeinträchtigen.
Drucksensoren liefern Tiefeninformationen für die vertikale Steuerung, die Missionsplanung und die Sensorfusion. Sie sind grundlegende Sensoren für die Unterwassernavigation, da sie die vertikale Komponente der Navigationslösung festlegen. Die Wasserdichte und atmosphärische Bedingungen können die Umrechnung von Druck in Tiefe beeinflussen.
Magnetkompasse liefern Kursangaben, ohne dass eine externe akustische oder satellitengestützte Referenz erforderlich ist. Sie kommen in Tauchernavigationssystemen, kompakten Unterwassernavigationsgeräten und einigen Fahrzeugarchitekturen zum Einsatz, wobei jedoch von der Plattform erzeugte oder lokale magnetische Störungen die Genauigkeit beeinträchtigen können. Kompassbasierte Unterwassernavigationstechniken sind daher auf eine geeignete Kalibrierung, Installation und Kompensation angewiesen.
Höhenmesser und Echolote messen mithilfe akustischer Energie die Entfernung zum Meeresboden oder zu einer anderen Oberfläche. Ihre Messungen unterstützen die Höhenkontrolle, die Hindernisvermeidung, das Folgen des Meeresbodens sowie die geländebezogene Navigation. In einem AUV-Navigationssystem können Höhendaten zudem Aufschluss darüber geben, ob ein DVL voraussichtlich den Kontakt zum Meeresboden aufrechterhalten kann.
Mini-Ranger 2 USBL zur akustischen Positionierung von Forcys
Die integrierte Navigation kombiniert INS-, DVL-, Druck-, Kurs-, akustische und andere Messwerte zu einer konsistenten Schätzung des Fahrzeugzustands. Filterverfahren wie Kalman-Filter berücksichtigen die Sensorunsicherheit und korrigieren die Lösung, sobald zusätzliche Daten verfügbar werden. Robuste Systeme überwachen zudem die Messqualität, wenn Sensoren beeinträchtigt oder nicht verfügbar sind.
Die geländegestützte Navigation vergleicht gemessene Eigenschaften des Meeresbodens mit gespeicherten bathymetrischen oder Umweltdaten, um Navigationsfehler einzugrenzen. Sonar kann zudem Merkmale identifizieren, die als relative Bezugspunkte dienen, wenn keine externe akustische Infrastruktur verfügbar ist. Sonarbasiertes Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) kann die Positionierung ebenfalls unterstützen. Die optische Merkmalsverfolgung kann bei ausreichender Sicht relative Bewegungen erfassen. Diese Ansätze sind relevant für die Navigation autonomer Unterwasserfahrzeuge mit langer Ausdauer sowie für Missionen, die eine geringere Abhängigkeit von externen Hilfsmitteln erfordern.
Autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) und ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs) nutzen Unterwassernavigationssysteme, um Routen zu verfolgen, die Position zu halten, Vermessungen durchzuführen, sich Zielen zu nähern und den Einsatz von Sensoren oder Nutzlasten zu koordinieren. Autonome Plattformen erfordern eine bordeigene Navigation, die ohne ständige Eingriffe des Bedieners fortgesetzt werden kann, während die Navigation von ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs) akustische Referenzpunkte und Informationen von einem Oberflächenschiff nutzen kann. Die Auswahl der Sensoren hängt von der Autonomie, der Verkabelung, der Ausdauer und der Missionsgeometrie ab.
Ein U-Boot-Navigationssystem muss einen präzisen Betrieb unter Wasser gewährleisten und gleichzeitig die Abhängigkeit vom Auftauchen zur externen Positionsbestimmung begrenzen. Hochleistungsfähige Trägheitsnavigation, Tiefenmessung, Geschwindigkeitsunterstützung und unabhängige Referenzsysteme können kombiniert werden, um die Positionsbestimmung aufrechtzuerhalten. Bemannte Tauchboote wenden ähnliche Prinzipien an, wobei die Unterwassernavigationsausrüstung entsprechend ihrer Tauchtiefe, Ausdauer und ihrem Einsatzprofil ausgewählt wird.
Ein Tauchernavigationssystem kann einen Kompass, einen Tiefensensor, Zeitangaben, eine digitale Anzeige sowie akustische oder trägheitsgestützte Hilfsmittel kombinieren, um die Fortbewegung zwischen Unterwasser-Wegpunkten zu unterstützen. Transportfahrzeuge für Schwimmer können für längere Einsätze mit Sensoren in Fahrzeugqualität und Navigationscomputern ausgestattet werden. Bei der Navigation für Militärtaucher wird besonderer Wert auf geringe Größe, geringes Gewicht und geringen Stromverbrauch (SWaP) sowie auf einfache Bedienbarkeit gelegt.
Unterwasser-Waffen- und Nutzlasttransportsysteme benötigen Navigationsdaten für die Führung, die Routenausführung, den Auslösezeitpunkt und den Endanflug. Die Sensorarchitektur kann Trägheitsnavigation mit Geschwindigkeits-, Tiefen-, akustischen oder geländebasierten Hilfsdaten kombinieren. Verteidigungsanwendungen erfordern zudem Ausfallsicherheit, wenn externe Navigationsaktualisierungen nur sporadisch oder gar nicht verfügbar sind.
Unterwassernavigationsausrüstung für den Verteidigungsbereich muss unter Umständen hinsichtlich umweltbezogener, elektromagnetischer, mechanischer und plattformspezifischer Anforderungen qualifiziert sein. Zu den relevanten Aspekten zählen:
ANELLO Maritime INS für die Unterwassernavigation von ANELLO Photonics
Die Qualifizierung ist daher Teil des gesamten System-Engineering und nicht lediglich eine Eigenschaft eines einzelnen Unterwassernavigationsgeräts.
Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt auf der Reduzierung von Abweichungen, der Erhöhung der Autonomie und der Aufrechterhaltung einer funktionsfähigen Navigation mit weniger externen Referenzdaten. Wichtige Bereiche sind:
Diese Entwicklungen führen zu einer Unterwassernavigation, die zunehmend durch anpassungsfähige, integrierte und autonome Unterwassernavigationssysteme geprägt ist.
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