Die Unterwassernavigation ist gnadenlos. Ohne GPS-Signale sind Unterwasserfahrzeuge zur Positionsbestimmung vollständig auf Trägheitssensoren angewiesen. Schon eine kleine Abweichung pro Minute kann sich bei langen Missionen zu kilometerlangen Fehlern summieren. Für Betreiber, die Pipelines kartieren oder tiefe Gewässer erkunden, können solche Abweichungen vergebliche Missionen, höhere Kosten und Sicherheitseinbußen bedeuten. Deshalb ist die Wahl zwischen faseroptischen Gyroskopen (FOG) und MEMS-IMUs so entscheidend.
FOG-Gyroskope gewährleisten eine extrem geringe Drift und Langzeitstabilität unter Unterwasserbedingungen ohne GNSS-Unterstützung, während MEMS-IMUs kompakte Alternativen mit geringem Stromverbrauch bieten, die sich besser für Inspektionen von kurzer Dauer und kostensensible Plattformen eignen.
Bei der Debatte zwischen FOG und MEMS geht es nicht darum, welche Technologie neuer ist, sondern welche den harten Bedingungen der Unterwassernavigation wirklich standhält. Durch den Vergleich ihrer Leistung hinsichtlich Genauigkeit, Umweltverträglichkeit, Vibrationstoleranz, SWaP und Lebenszyklusfaktoren können wir die Stärken und Schwächen der einzelnen Technologien aufzeigen. Diese strukturierte Perspektive hilft Betreibern, den richtigen Sensor für die jeweilige Unterwassermission zu finden.
Inhaltsverzeichnis
Genauigkeit und Drift bei Langzeitmissionen: Welcher Sensor bietet die bessere Leistung?
FOG-Leistung
FOG-Sensoren nutzen den Sagnac-Effekt zur Messung der Winkelgeschwindigkeit, unabhängig von mechanischen Teilen. Dieses Design ermöglicht außergewöhnlich niedrige Driftraten , oft <0,05 °/h, und ist daher äußerst stabil für Missionen von 6–10 Stunden oder mehr. Bei der Unterwasserkartierung oder Pipeline-Inspektion liefern mit FOG ausgestattete AUVs zuverlässige Kursschätzungen ohne ständige externe Aktualisierungen und gewährleisten so Vermessungsgenauigkeit und Missionseffizienz.
MEMS-Leistung
MEMS-Gyroskope messen Rotationen durch vibrierende Strukturen. Trotz Verbesserungen liegt ihre Bias-Instabilität immer noch im Bereich von 1–10 °/h , was in Umgebungen ohne GNSS zu erheblichen kumulativen Fehlern führt. MEMS-Einheiten können kurze Tauchgänge oder Inspektionsaufgaben von weniger als einer Stunde bewältigen, aber bei längeren Tauchgängen erfordert die Driftakkumulation häufige Korrekturen über DVLs, USBLs oder akustische Baken. Diese Abhängigkeit schränkt die Autonomie bei Tiefseeoperationen ein.
Vergleich
FOG : Unübertroffene Stabilität, geeignet für Langzeituntersuchungen.
MEMS : Nur für Missionen mit kurzer Reichweite und begrenzter Zeit geeignet.
Fazit : FOG ist die bessere Wahl, wenn die Genauigkeit über einen längeren Zeitraum hinweg von entscheidender Bedeutung ist.
Umweltbeständigkeit: Welche Technologie hält extremen Drücken und Temperaturen unter Wasser stand?
FOG-Robustheit
FOGs verwenden optische Spulen und Festkörperelektronik und sind daher von Natur aus resistent gegen Druck, Salzgehalt und große Temperaturschwankungen . Da keine vibrierenden Strukturen beteiligt sind, hat der Druck in der Tiefe nur minimale Auswirkungen auf die Leistung. Die Temperaturdrift ist vorhersehbar und kann werkseitig kompensiert werden, wodurch eine gleichbleibende Kursgenauigkeit auch in arktischen oder tropischen Gewässern gewährleistet wird.
MEMS-Robustheit
MEMS-Sensoren basieren auf Silizium-Mikrostrukturen, die empfindlich auf Wärmeausdehnung, Spannung und Druckschwankungen . Unterwasserbedingungen – insbesondere schnelle Temperaturschwankungen oder hoher Salzgehalt – können ihre Bias-Stabilität und Skalenfaktorlinearität beeinträchtigen. Kompensationsalgorithmen und Kapselung helfen zwar, aber MEMS erfordern in der Regel eine aktive Neukalibrierung, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern.
Vergleich
FOG : Robuster bei langfristiger Einwirkung von Unterwasserumgebungen.
MEMS : Empfindlich gegenüber Umweltbelastungen, erfordert häufige Korrektur.
Fazit : FOG bleibt die zuverlässige Option für Tiefseemissionen, während MEMS für flache oder kontrollierte Umgebungen geeignet ist.
Vibration und Schock: Welcher Sensor bleibt bei dynamischer Belastung stabil?
FOG-Stabilität
FOG-Gyroskope, die keine beweglichen mechanischen Teile besitzen, sind von Natur aus weniger empfindlich gegenüber vibrationsbedingten Fehlern. In Unterwasserplattformen wie AUVs, die in der Nähe von Meeresbodenströmungen operieren, oder ROVs, die Werkzeuge handhaben, liefern FOGs selbst bei ständigen Mikrovibrationen oder plötzlichen Stößen stabile Ergebnisse. Ihr optisches Design stellt sicher, dass dynamische Belastungen nur minimalen Einfluss auf Bias und Skalierungsfaktor haben. Deshalb werden FOGs in Systemen zur Minenabwehr auf See und im Offshore-Bau eingesetzt.
MEMS-Stabilität
MEMS-Sensoren sind trotz ihrer robusten Mikrokonstruktion naturgemäß anfälliger für Vibrationen und Stöße . Vibrierende Strukturen können unerwünschte Frequenzen aufnehmen, die zu falschen Drehratenmessungen oder vorübergehender Instabilität der Ausgabe führen können. Dämpfungs- und Filtertechniken verbessern zwar die Leistung, erfordern jedoch häufig eine umfangreiche Signalverarbeitung, um in Umgebungen mit starken Vibrationen, wie beispielsweise in Unterwasserdrohnen mit Triebwerksantrieb, einsetzbar zu bleiben.
Vergleich
- FOG : Liefert stabile Messwerte bei Vibrationen und plötzlichen Stößen und minimiert so die Fehlerausbreitung.
- MEMS : Leicht, aber anfällig für vibrationsbedingtes Rauschen, was eine starke Filterung erfordert.
- Fazit : Für Plattformen, die Turbulenzen, durch Propeller verursachten Vibrationen oder Unterwasserwerkzeugoperationen ausgesetzt sind, bietet FOG eindeutig die stabilere und einsatzsicherere Lösung.
Größe, Gewicht und Leistung: Welcher Sensor passt zu SWaP-beschränkten Plattformen?
FOG SWaP-Eigenschaften
FOG-Sensoren verfügen üblicherweise über größere optische Spulen und einen höheren Strombedarf . Trotz der jüngsten Miniaturisierung kann ein taktischer FOG mehrere hundert Gramm wiegen und mehrere Watt Strom verbrauchen. Bei kleinen AUVs oder ROVs mit begrenzter Batteriekapazität kann dies die Ausdauer oder die Nutzlastkapazität verringern. Bei mittelgroßen bis großen Unterwasserfahrzeugen ist der Kompromiss zwischen Größe und Leistung jedoch oft durch die unübertroffene Genauigkeit und Stabilität gerechtfertigt.
MEMS SWaP-Eigenschaften
MEMS-IMUs sind von Natur aus kompakt, leicht und energieeffizient . Viele taktische MEMS-Einheiten wiegen weniger als 50 Gramm und arbeiten mit weniger als 1 Watt. Das macht sie ideal für kleine Inspektionsdrohnen, tragbare Tauchernavigationsgeräte oder Nutzlasten, bei denen jedes Gramm und jedes Milliampere zählt. Ihr geringer Platzbedarf ermöglicht die Integration in enge Gehäuse und ermöglicht so flexible Fahrzeugdesigns.
Vergleich
- FOG : Sperriger und stromhungriger, am besten für Plattformen mit ausreichend Platz und Energiebudget.
- MEMS : Optimiert für SWaP-beschränkte Systeme, ermöglicht leichte und stromsparende Designs.
- Fazit : Wenn Kompaktheit und Effizienz oberste Priorität haben, ist MEMS die natürliche Wahl; für Missionen, bei denen Genauigkeit über Ausdauer geht, bleibt FOG der Maßstab.
Integration mit Unterwasserhilfen: Welcher Sensor funktioniert am besten mit DVL und USBL?
FOG-Integration
FOG-Gyroskope bieten eine hochstabile Referenz , die die Leistung von Doppler Velocity Logs (DVLs), Ultra-Short Baseline (USBL) und Long Baseline (LBL) Akustiksystemen deutlich verbessert. Da die FOG-Ausgaben über lange Zeit hinweg präzise bleiben, können unterstützende Sensoren seltener aktualisiert werden. Dies reduziert Navigationsfehler, selbst wenn akustische Signale zeitweise oder teilweise blockiert sind. Diese Synergie macht FOG-basierte INS-Lösungen zum Standard für AUVs der Vermessungsklasse und Unterwassermissionen mit langer Laufzeit.
MEMS-Integration
höheren Drift- und Bias-Instabilität stärker auf externe Hilfsmittel angewiesen . Dank ihres leichten und digitalfreundlichen Designs lassen sie sich zwar problemlos in DVLs und USBLs integrieren, der häufige Korrekturbedarf erhöht jedoch die Systemabhängigkeit von akustischen Updates. In lauten oder signalgeschwächten Umgebungen kann die MEMS-basierte Navigation Sprünge oder eine verschlechterte Positionierungsqualität aufweisen, wenn sie nicht durch fortschrittliche Sensorfusionsalgorithmen verstärkt wird.
Vergleich
- FOG : Bietet ein stabiles Rückgrat für Unterwasser-Hilfssysteme und reduziert die Abhängigkeit von häufigen Korrekturen.
- MEMS : Einfach zu integrieren, erfordert jedoch ständige externe Updates, um die Drift auszugleichen.
- Fazit : Bei Missionen, bei denen akustische Updates möglicherweise unzuverlässig sind, ist FOG die sicherere Wahl; MEMS kann ausreichen, wenn externe Unterstützung gewährleistet und häufig ist.
Von der Driftstabilität bis hin zur Umweltbeständigkeit, Vibrationstoleranz, SWaP und Systemintegration macht der bisherige Vergleich deutlich, dass FOG MEMS unter anspruchsvollen Unterwasserbedingungen im Allgemeinen überlegen ist, während MEMS für leichtere und kürzere Missionen eine praktische Wahl bleibt.
Doch Leistung allein macht nicht die richtige Lösung aus. Kosten, Wartungsaufwand, Datenqualität und bewährte Anwendungen sind bei der Auswahl eines Sensors für Unterwasserplattformen ebenso entscheidend. In Teil II setzen wir diese Untersuchung fort und untersuchen die Lebenszyklusökonomie, die Wartung, die Zuverlässigkeit der Kartierung und reale Anwendungsfälle, bevor wir eine endgültige Entscheidung darüber treffen, welche Technologie unter Wasser die bessere ist.
