Autonome Unterwasserfahrzeuge (Autonomous Underwater Vehicle, AUV) sind unbemannte Tauchfahrzeuge. In der Regel wird solchen Fahrzeugen eine Mission vorgegeben, anhand derer sie selbstständig nacheinander verschiedene Wegpunkte abfahren - auch in verschiedenen Wassertiefen oder Höhen über Grund. An den Wegpunkten und auf dem Weg dazwischen können unterschiedliche, ebenfalls vorprogrammierte, Messungen durchgeführt werden – von der Temperatur des Ozeanes bis hin zu der Menge an Licht welche in den Ozean hinein reicht. Am Ende einer Mission wird das AUV dann an einem ebenfalls vorprogrammierten Treffpunkt vom Mutterschiff wieder aufgenommen. 

AUVs ermöglichen den Zugang zu Meeresregionen die mit herkömmlichen Geräten kaum erreichbar sind, wie zum Beispiel die Region unter dem Eis oder nahe eines unebenen Meeresbodens. Des Weiteren bieten AUVs die Möglichkeit horizontal in der Ebene zu messen und dabei flach über dem Boden oder knapp unterhalb des Eises oder der Oberfläche entlang zu „fliegen“ und dabei verschiedenen Parameter aufzuzeichnen.

Je nach Bauform und Größe können in AUVs eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren integriert werden. Am AWI werden anwendernah Nutzlastmodule erstellt, in denen sich ergänzende Messsysteme passend für spezifische Fragestellungen zusammengestellt sind. Diese Nutzlastmodule sind dann für die jeweiligen Messfahrten leicht austauschbar.

Technischen Daten des AWI-Fahrzeugs PAUL

Tauchtiefe: 3000 m
Länge: 4,5 m
Durchmesser: 53 cm
Gewicht in Luft: ca. 500 kg, je nach Nutzlast
Gewicht in Wasser: + 3 kg Auftrieb
Durchschnittsgeschwindigkeit: 3-4 Knoten, entspricht ca. 5-7 km/h
Einsatzzeit: je nach Nutzlast 4-8 std
Hersteller: Bluefin Robotics
Fahrzeugtyp: BF-21

Energieversorgung

Die Energieversorgung des Fahrzeugs bilden mehrere Lithium-Ionen Akkus in zwei getrennten Stromkreisen. Steuerungscomputer und Antrieb werden durch drei druckkompensierte Akkus mit einer Nominalspannung von 30 VDC und einer Energie von insgesamt 4500 Wh versorgt. Bei Bedarf lässt sich die Akkukapazität auf sechs Akkus und 9000 Wh ausbauen.

Ein zweiter Stromkreis versorgt ausschließlich die Nutzlast und den Nutzlastrechner. Hier bilden zwei Akkus mit einer Nominalspannung von 14,8 VDC und einer Energie von insgesamt 460 Wh die Energieversorgung.

Navigation und Ortung

An der Wasseroberfläche nutzt das AUV eine GPS-Antenne zur Bestimmung seiner Position. Unter Wasser wird ein Trägheitsnavigationssystem verwendet. Das Fahrzeug errechnet dazu seine aktuelle Position indem es die gefahrenen Wegstrecken zur letzten bekannten GPS-Position addiert. Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit im dreidimensionalen Raum werden dabei berücksichtigt. Zusätzlich kann ein nach unten schauendes Doppler Velocity Log (DVL), bei einer Entfernung zum Meeresgrund von weniger als 130 m, dazu genutzt werden, die genaue Fahrtrichtung und Geschwindigkeit über Grund zu bestimmen.

Geortet werden kann das AUV an der Oberfläche über Funk. Hierbei sendet das Fahrzeug entweder seine eigene Position, oder die Funksignale eines Radiobeacons können vom Mutterschiff aus eingepeilt werden. Außerhalb der Funkreichweite ist eine Ortung durch einen GPS/Iridium Transceiver möglich. Der Beacon stellt seine eigene Position mittels GPS fest und überträgt diese Koordinaten in Form einer Textdatei über Iridium SBD.

Unter Wasser wird das Ortungssystem GAPS verwendet. Das AUV ist dazu mit einem Transponder ausgestattet, dessen Signale durch Hydrophone unter dem Schiff eingepeilt werden. Durch exakte Laufzeitmessungen kann GAPS so die Position des Fahrzeugs relativ zum Schiff bestimmen.

Aus Sicherheitsgründen ist die Stromversorgung aller Ortungssysteme komplett autark und vom Fahrzeug unabhängig.

Sensoren zur Navigation des AUVs

GPS – Ashtech DG-14, Thales Navigation
Trägheitsnavigationssystem – KN-5053, Kearfott
Drucksensor – Paroscientific Digiquartz
Doppler velocity Log – Workhorse Navigator DVL 300 kHz, Teledyne RDI
Ortungssystem – GAPS, iXBlue

Sensoren

CTD – Sensor für die Leifähigkeit, die Temperatur und den Druck
ADCP – Sensor für Strömungsrichtung und Geschwindigkeit
MSP – Turbulenzsonde
Nitratsensor
Wasserprobennehmer mit insgesamt 22 Röhren à 220 ml Probenvolumen
Fluorometer – Chlorophyll a und Gelbstoff
Lichtsensor – Photosynthetic Active Radiation (PAR): 400 – 700 nm
Sauerstoffsensor

Kontakt: A. Purser, M. Busack, J. Hagemann

Literatur:

Wulff, T. (2016). Physics and Ecology in the Marginal Ice Zone of the Fram Strait – a Robotic Approach. PhD Thesis, University of Bremen.

Wulff, T., Bauerfeind, E., von Appen, W.J. (2016). Physical and ecological processes at a moving ice edge in the Fram Strait as observed with an AUV. Deep-Sea Research I 115: 253-264.

Wulff, U., Wulff, T. (2015). Correcting Navigation Data of Shallow-Diving AUV in Arctic. Sea Technology, 56(3): 27-30.

Wulff, T., Lehmenhecker, S., Bauerfeind, E., Hoge, U., Shurn, K., Klages, M. (2013). Biogeochemical research with an Autonomous Underwater Vehicle: Payload structure and arctic operations. OCEANS - Bergen, 2013 MTS/IEEE, doi:10.1109/OCEANS-Bergen.2013.6608043

Wulff, T., Lehmenhecker, S., Hoge, U. (2010). Development and operation of an AUV-based water sample collector. Sea Technology 51(12): 15-19.