Erkundung unter dem Eis (& Halten Sie Ihr AUV in einem Stück)

Von Luke Alden und Alex Johnson • 12 Februar 2020

Foto: International Submarine Engineering Ltd.

Im Dezember 2019 jährte sich das einjährige Bestehen des von der Universität Tasmanien im Rahmen der Antarctica Gateway Partnership von ISE gebauten AUV Nupiri Muka zur Antarktis. Dort hat es viele Vermessungsmissionen unter dem Sørsdalgletscher erfolgreich abgeschlossen. Was gibt es Schöneres, als diese Leistung für eine Siegesrunde in diesem Jahr zurückzusenden!

Unter dem Eis können Missionen notorisch schwierig sein, und ISE hat in den mehr als 25 Jahren, seitdem Fahrzeuge in die Polarregionen geschickt wurden, einen großen Erfahrungsschatz aufgebaut. Zusätzlich zu der jüngsten Antarktis-Mission waren die AUVs von ISE mehrmals in der Arktis. Bemerkenswerterweise haben zwei von ISEs AUVs, die für das kanadische Projekt Cornerstone entwickelt wurden, im Jahr 2010 1000 km unter Eis vermessen, und für das von ISE gebaute Projekt Spinnaker hat Theseus 100 km Glasfaserkabel verlegt.

Eine Vielzahl von Faktoren haben zu diesen erfolgreichen Operationen geführt, und in diesem Artikel werden einige der inhärenten Gefahren bei der Arbeit unter Eis und deren Minderung erörtert.

Warum sind AUV-Missionen eine Herausforderung?
Jedes Mal, wenn ein AUV absteigt, um unbekannte Regionen zu erkunden, gibt es eine Foto: International Submarine Engineering Ltd. Auch für AUVs ist das Meer kein freundlicher Ort. Das Terrain, in dem es navigiert, wird nur teilweise mit hoher Auflösung abgebildet. Wir wissen mehr über die Oberfläche des Mars als über unsere Meeresböden. Es gibt jedoch Möglichkeiten, die Risiken zu minimieren. Zum Beispiel gibt es immer Sicherheit an der Oberfläche. Wenn ein AUV mit Notfall-Fallgewichten leicht schwimmfähig ist, kann es im Notfall einfach an die Oberfläche schwimmen. Das AUV verfügt auch über eine Reihe von Sensoren, die helfen, Hindernissen und dem Meeresboden selbst auszuweichen, damit es auf das darunter und davor liegende Gelände reagieren kann. Die Position des AUV ist bei der USBL-Verfolgung fast immer bekannt und kann über kommuniziert werden akustische Kommunikation während des gesamten Betriebs. Auf diese Weise kann der Pilot wichtige Entscheidungen treffen, um die Sicherheit des AUV zu gewährleisten.

Warum sind Unter-Eis-Missionen eine Herausforderung?
Unter Polareis zu sein, macht die Konsequenz des Scheiterns noch viel höher. Sie haben nicht mehr das Sicherheitsnetz der Oberfläche, zu dem Sie zurückkehren können, es ist weniger über das Gelände bekannt und es besteht nur noch eine eingeschränkte Kommunikation mit dem AUV. Jedes Mal, wenn es auf Schwierigkeiten stößt, muss es über Systeme verfügen, die es ihm ermöglichen, sich von selbst ohne menschliches Eingreifen zu erholen.

Außerdem funktioniert das USBL-Tracking nicht gut. Wenn etwas schief geht, wissen Sie nicht, wo sich das AUV befindet, und es kann wahrscheinlich nicht wiederhergestellt werden. Sie verlieren nicht nur ein Vermögen von mehreren Millionen Dollar, sondern können auch nicht herausfinden, was schief gelaufen ist, um es für das nächste Mal zu verbessern.

Selbst nach einer erfolgreichen Mission ist die Genesung keine sichere Sache, wie die Nupiri Muka auf ihren Reisen in die Antarktis feststellte. Jeden Tag musste es durch Wasser voller schwimmender Eisberge von der Größe von Autos zurück zum Davis-Bahnhof fahren.

Manchmal kann der Vermessungsort nur über ein kleines Loch im Eis erreicht werden, das sich mehrere Kilometer pro Tag bewegt, wie es bei den Cornerstone-Missionen der Fall war.

Dies übt großen Druck auf die Richtigkeit des Einsatzplans aus und das AUV kann auf alle Situationen angemessen reagieren.

Foto: International Submarine Engineering Ltd. Wie verringern wir die zusätzlichen Risiken?

Erweiterte Autonomie: Ohne die relative Sicherheit der Oberfläche ist dies das Hauptwerkzeug, mit dem ISE die Sicherheit seiner AUVs gewährleistet. Es gibt dem AUV die Möglichkeit, in verschiedenen Phasen des Missionsplans kontextbezogene Entscheidungen zu treffen. Es gibt viele Szenarien, die die Mission unterbrechen und das Ziel des AUV ändern können, zum Beispiel, wenn ein Notfall eintritt und die Mission auf dem sichersten Weg abgebrochen werden muss. Anhand der eingestellten Parameter kann das AUV bestimmen, wo sich das am besten geeignete befindet. Zu Beginn der Operation kann dies einfach sein, da es möglicherweise nur minimale Hindernisse gibt. In einem unbekannten Gebiet unter Eis ist es jedoch die sicherste Option, die gewohnte Weise zurückzugeben, anstatt andere, möglicherweise kürzere Optionen. Unter dem Sørsdal-Gletscher war dies genau die Art von Autonomie, mit der Nupiri-Muka ausgestattet war. Da der Gletscher an der Küste liegt, gibt es viele Stellen, an denen das flache Wasser seine Bewegung einschränken kann. Daher ist es wichtig, dass das Verhalten je nach Wassertiefe geändert werden kann.

Wenn einer der AUV-Sensoren defekt ist, kann er abhängig von der Schwere der Störung auf verschiedene Weise reagieren: Er kann auf einen Ersatzsensor umschalten oder nach Hause zurückkehren. Weitere wichtige autonome Funktionen sind die Überwachung des Energieniveaus und die Sicherstellung, dass das AUV nach Hause zurückkehrt, bevor die Batterien leer sind. Darüber hinaus stellen geografische Grenzen und Zeitgeber für jeden Missionsabschnitt sicher, dass das AUV reagieren kann, wenn es zu lange dauert, Segmente abzuschließen oder das Missionsgebiet zu verlassen.

Robuste Hardware: Die richtige Hardware ist ein weiterer wichtiger Weg, um Risiken zu minimieren. Zum Beispiel wurde der Nupiri Muka mit einem Multibeam-Sonar zur Vermeidung von Hindernissen ausgestattet, mit dem er nicht nur sehen konnte, was sich davor befand, sondern auch, was sich darüber und darunter befand. Der Vermeidungsalgorithmus wurde entwickelt, um je nach Hindernisstandort angemessen zu reagieren, da das einfache Anheben und Drehen an Steuerbord nicht immer eine sichere Option ist.

Um die Navigationsgenauigkeit zu verbessern, wurde der Nupiri Muka zusätzlich zu einem, der dem Meeresboden folgt, mit einem DVL zum Verfolgen des Eises ausgestattet. Ohne dies würde es sehr schnell an Positionsgenauigkeit verlieren und möglicherweise nicht in der Lage sein, nach Hause zu gelangen. Das Fahrzeug verfügte außerdem über ein zusätzliches akustisches Modem, das nach unten gerichtet war, um die Kommunikation in Situationen zu verbessern, in denen sich das AUV in der Nähe des Oberflächeneises befand. Je mehr der Pilot dem AUV helfen kann, desto größer sind die Erfolgschancen.

Für Project Cornerstone wurden die AUVs durch ein Eisloch eingesetzt, das sich mehrere Kilometer pro Tag bewegte. Die Fahrzeuge waren mit einem Zielsuchsystem ausgestattet, mit dessen Hilfe sie auch aus 100 km Entfernung ihren Weg nach Hause finden konnten. Sie wurden auch mit einem variablen Ballastsystem ausgestattet, um sie in die Lage zu versetzen, unter Eis zu parken und auf ein ROV zu warten, um sie die letzte Strecke zum Eisloch zu transportieren. Um das Risiko von Start und Wiederherstellung zu minimieren, wurden diese AUVs auch mit Unterwasseranschlüssen zum Laden und Herunterladen von Daten ausgestattet.
All diese Hardware muss ausgereift sein und jahrelang verwendet werden, um ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Selbst ein ausgefallenes System kann eine Mission erfüllen oder brechen.

Auf zum Erfolg.
Wie wir sehen können, haben viele zu erfolgreichen Missionen unter Eis beigetragen. Die meisten Diskussionen wurden in den Fahrzeugen selbst geführt, aber es ist wichtig, sich an die Planung und Erfahrung zu erinnern, die auch erforderlich sind. Jedes Mal, wenn das Fahrzeug ausgesandt wird, sollte sein Einsatzplan von Personen mit Polarerfahrung sorgfältig überprüft werden. Vor diesem Hintergrund - mit ein bisschen Blut, Schweiß, Tränen und vielleicht ein bisschen Glück - gibt es keinen Grund, warum es in Zukunft nicht mehr erfolgreiche Polar-Missionen geben wird.

Die Autoren
Luke Alden BSc Maschinenbauingenieur bei International Submarine Engineering Ltd. Luke verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung im Ingenieurwesen. Während seiner Zeit am ISE war er an vielen Designprojekten beteiligt, einschließlich der Integration von Kameras in AUVs.

Luke Alden Alex Johnson PEng Abteilungsleiter für Maschinenbau bei International Submarine Engineering Ltd. Alex hat während seiner 12-jährigen Tätigkeit bei ISE sowohl Explorer AUV-Builds mit einer Länge von 3000 m als auch 6000 m verwaltet und mehrere AUV-Systeme entworfen.

Alex Johnson