デジタルオーシャン：海底データのアクセスを容易にする

Tom Mulligan • 12 3月 2018

英国に拠点を置く海底音響学およびデジタル通信専門のSonardyne Internationalは、長年にわたり海洋エネルギー部門の主要プレーヤーでした。その技術ポートフォリオは、構造物および機器の高精度位置決め、無人車両、デジタル音響および光通信システムのナビゲーション、資産監視およびデータロギング、および高解像度海底画像形成に適用されてきました。毎日何百万ドルも費やされている石油・ガスセクターの企業は、最も厳しい環境で高い信頼性と堅牢性、高効率なオペレーション、サプライヤのサポートを期待しているため、最も要求の厳しい顧客です。海底環境での使用のためのSonadiyneの新しい通信技術の研究と開発を推進したのは、このレベルの期待でした。

海洋安全保障は、石油・ガス分野と同様のテーマで技術とアプリケーションのバリエーションを持つ同社にとって重要な市場であり、海洋科学、探査などさまざまな応用分野に技術の適応性を実証しています、水産養殖および他の同様の市場。

テクノロジープラットフォーム - 音響

Sonardyneは、業界をリードする広帯域デジタル通信プラットフォームを開発しました。このプラットフォームでは、現在、第6世代（6G）にある同社の音響システムの大部分がベースになっています。この技術のための「ピンアップ」製品は、広範囲のアプリケーションで使用される、高度に適応可能かつ構成可能な計器であるコンピューティングおよびテレメトリートランスポンダ（Compatt 6）である。これは、周波数帯域とビーム幅のオプションが異なる音響トランスデューサ、高度なプロセッサ、バッテリ、オプションのリリース機構、科学グレードのセンサで構成されています。合計で、Compatt 6の可能な構成は3,000以上あります。使用方法のいくつかを以下に示します。

ポジショニング - 他のトランスポンダを海底に搭載したCompatt 6は、上記の水上世界測位（GNSS）と同様の操作であるLong BaseLine（LBL）測位の基準として使用されます。 LBLは、音響の「飛行時間」計算によって測定された範囲を使用して、三辺測量を使用して車両または構造の位置を高精度で決定します。コンパット6は、船舶から配備された超短基線（USBL）トランシーバを使用した船舶用ダイナミックポジショニング（DP）アプリケーションでも使用でき、海底基準から測定された音響範囲は、井戸または海底構造物。最後に、モバイルトランスポンダとして、Compatt T6を車両または構造物に取り付けて、LBL Compatt 6のネットワークを音響的に調べてその位置を計算するか、USBLを使用して表面から追跡することができます。

PIES - 圧力反転型エコーサウンダー（PIES）ユニットは、送信された音響信号が海面から反射するのにかかる圧力と時間の両方を測定することによって、水柱の平均音速を取得するCompatt 6の変形品です。このユニットは、局所温度、深度/潮汐変動、単位ピッチ/ロールおよび単位電池寿命などの他の海洋性の特性も測定することができます。 PIESユニットは、処理されたデータと未処理のデータを内部メモリカードに保存します。これらのデータは、トランスポンダの配備中に音響的に（例えば、海底を通過する車両または地面から）復元するか、ユニットを遠隔から解放して表面。

自律型監視 - 自律型監視トランスポンダ（AMT）は、自律型ロギングとテキストメッセージを追加したCompatt 6のすべての機能を備えており、ユーザ定義の間隔でセンサとベースラインのデータを自律的に記録するように設定できます。データは、トランスポンダがまだ展開されている間に音響的に検索されたSDカードに記録されるか、トランスポンダが回復された後にシリアルに記録され、システムは海底沈降および構造プレートの移動の長期モニタリングなどの操作に有用です。

Fetch - Sonardyne社のワイヤレス自律センサロギングノードシステムFetchはAMTトランスポンダと同じ機能を提供しますが、ガラス球に収容されて長期間の展開に優れた耐食性を提供します。ハウジングと内蔵スタンドの設計により、計器を「自由落下」させて直立して配置することができ、配備時間とコストを削減できます。 AMT / Fetchユニットの主な用途は、海底変形と環境モニタリング、地殻変動、海底地震の追跡、地表通信ゲートウェイブイと提携して津波を検出することです。

海底モニタリング解析と記録トランスポンダ（SMART） - SMARTは複雑な資産監視アプリケーションをカバーするために開発されました。またSonardyneの第六世代（6G）製品群の一部であるこのシステムは、低消費電力のエレクトロニクス、長期間のデータロギング、海底データ処理、音響テレメトリを、簡単に導入可能な単一の機器に統合します。 SMARTは、幅広い範囲の内部および外部センサーや他のデータソースとのインターフェースを提供し、標準または特注のデータ解析アルゴリズムを使用して、オペレータに必要なときに重要なデータを提供します。

SMARTが提供する先進的な機能により、この技術は、井戸やライザーなどの海底構造の監視など、さまざまな作業のためのプライマリまたはバックアップ海底監視システムとして使用できます。コミッショニング作業と長期モニタリングの両方で、係留ラインとパイプラインの観測用にシステムを構成することもできます。実際、大部分のデータソースとのインターフェース機能を備えたSMARTは、海底資産の性能や状態に関する情報にアクセスする必要があります。

SMARTには、複数のデータソースに接続するように設定できるデジタル入力とアナログ入力が含まれています。モーション計測に使用できる内部センサには、加速度センサ、角速度センサ、傾斜計、標準および高精度の圧力/温度センサなどがあります。インターフェース可能な外部センサーには、圧力センサー、ひずみゲージ、音響ドップラー電流プロファイラーなどがあります。より特注のアプリケーションでは、腐食モニターや振動計測ツールなどの計測器にリンクするカスタムインターフェイスを作成することができます。

低電力のデータロガーは、SMARTの重要な機能であり、外部ソースおよび内部ソースから受信したデータを安全にアーカイブすることができます。 SMARTの主な利点は、海底環境の生データを処理して付加価値の高い情報を提供できることです。高度なデータ取得および処理システム（SMARTの中心）には、洗練されたユーザー指定のアルゴリズム最小/最大/平均統計、アラームや重大なイベント報告のための閾値処理などの簡単なデータ分析を実行できます。高帯域幅のセンサデータを小型でクリティカルなパケットに減らし、消費電力を効率的に管理することで、内部バッテリパックからの配備時間を長くすることができ、ユーザの海底環境に関する知識を向上させることができます。

さらに、遠隔測定データの表面分析がセンサパラメータのより完全なレビューを必要とする場合、SMARTは、指定された時間範囲からの生データの音響回復を可能にする。あるいは、システムをEthernet接続を介してBlueComm（Sonardyneの高帯域幅スルーウォーター光通信リンク）に結合することができ、より大量のデータをROVまたはAUVから取り出すことができます。ユニットが回復すると、すべてのログデータを安全なストレージからダウンロードできます。

SMARTの本質は柔軟性と構成可能性であり、異なるセンサーやデータソースに接続する能力はSMART製品ラインの不可欠な部分です。しかし、これらの唯一の選択肢ではありません：SMARTは、可能な限り高い耐食性を得るために、アルミニウムとアルミニウムのブロンズからスーパーデュプレックスのステンレススチールに至るまで、幅広い材料で利用できます。その他のオプションには、バッテリ容量の増加とコネクタの種類の増加のために、より長い 'maxi'ハウジングが含まれ、必要に応じて、音響測位を含む他の機能を監視システムに追加することができます。

技術プラットフォーム - 光通信

音響技術の開発に加えて、Sonardyneは近年、自由空間光通信の分野に進出し、高速水中モデムの市場投入に成功しています。

Bluecomm - BlueCommは、海底データを送信し、ビデオをストリーミングし、テザーレス車両制御を非常に高速で実行するために開発された、水中ワイヤレス光通信システムです。 BlueCommモデムファミリは、現在3つのバリエーションで構成されています。BlueComm 100は、浅い水域の「高い周囲光」環境に最適化されており、データレートとレンジのバランスが良好です。 BlueComm 200は最大12.5 Mbpsでデータを送信するため、深夜や夜間の操作に適しています。 BlueComm 5000のデュアルレーザー構成は最大1,000 Mbpsのデータ転送速度をサポートします。

BlueCommは、大量のデータを送信するために音圧波ではなく電磁スペクトルを使用します。 BlueCommは、通常、450nmの青色領域で動作し、500Mbpsを超えるデータ転送速度を実現します。この光データ伝送技術は、150メートル以上の距離で、1つのリチウムDサイズのセル内に含まれるエネルギーで1Gbのデータを伝送することができ、非常に効率的です。

Bluecommのアプリケーションは広範囲に及ぶ：Sonardyne音響と組み合わせて使用​​すると、低帯域幅のデータを音響的に（例えば光学機器を遠隔からスイッチすることによって）伝送することができ、ビデオやソナーの画像データファイルなどの高帯域幅のデータは、光学的方法。海底データストレージセンターまたはデータ収集車両からのデータは、AUVによって収集され、衛星を介して地上局に送信するために、ASVまたは有人サーフェスユニットに中継されます。

慣性システム - 最先端の音響システムを補完し、海底車両に最適な位置付けソリューションを提供するため、Sonardyneは独自の慣性システムであるLodestarとSPRINTを開発しました。 Lodestarは、SPRINTの音響慣性慣性航法システムにアップグレードできるように統合されたソリッドステート姿勢および方向基準システム（AHRS）です。このユニットは、3つの高品位で高信頼性の市販のリングレーザージャイロ（RLG）と加速度計で構成されています。使用されるセンサは商用航空の標準であり、15年以上の実績と40万時間以上の平均故障間隔（MTBF）を有しています。

Lodestar AHRSはシリアル、イーサネット、および業界標準のテレグラムをサポートしており、より簡単なインターフェイスを提供し、加速や回転速度などの高度な出力も利用できます。オンボードのデータストレージとバックアップバッテリの機能により、通信や外部電源が失われても継続的な動作が保証され、データの損失は発生しません。

SPRINTは、音響USBLおよびLBL測位ならびにSonardyneのSyrinx Doppler Velocity Log（DVL）および圧力センサなどの他のセンサからの音響支援データを最適に使用する、海底車両用の音響的補助海底慣性航法システムです。これにより、位置精度、精度、信頼性および完全性が向上し、運用時間と船舶のコストが削減されます。このシステムは、USBL伝送の動作限界を拡張し、LBLシステムの運用効率を劇的に改善することができる。 Sonardyneの新しい第3世代のSPRINTユニットは、センサーを支援するためにパワーパススルーを提供し、それによってケーブル配線とインタフェースの複雑さを軽減します。

SPRINTはLodestarと同じハードウェアプラットフォームを共有し、AHRSとINSを組み合わせたシステムです.AHRSとINSの両方のアルゴリズムを同時に実行すると、AHRSがINSに方向をシームレスに提供するため、位置更新を受信すると瞬時に慣性航法を開始または再開できます。他のINSシステムと共通の長い「整列」期間を避けることができます。その後、別個のAHRSおよびINS計算された向きが、システムの健康状態の指標として自律的に監視される。

Sonardyneの音響支援INSシステムSPRINT-Navが提供する精度は、現在、オペレータがモバイル海底のレーザ・マッピングとメトロロジを実施することを可能にしています。セットアップとイメージングのデータ収集時間が大幅に短縮され、2017年に完了した多数の試行と実験プロジェクトで達成された後処理結果がすべてのユーザー要件を満たしていると報告されています。

今後の課題

オペレーションの効率化と小型船の使用をめざして、自動海底航法、測位、通信の中心の導入を完了するために取り組まなければならない課題が残されています。例えば、自律型船舶（ASV）の導入は、人工衛星の航行の失敗またはエラーの場合に船舶を制御するための冗長性およびフォールバックシステムに依存するオペレータの安全性のケースで、文化の変化を表すことになります。他の課題には、衝突回避システムの導入と導入の成功が含まれます。

Sonardyneは、海洋自治に必要な統合システムの完全なスイートを提供することができます。 AUVに最適化されたAvTrak 6機器のようなプラットフォームは、同社の音響システムを使用して、長距離、双方向の低帯域幅のデータおよび通信転送を可能にし、音響リレーのトランスポンダを使用して可能な限り最長の距離を達成する自律航行の動作範囲を大幅に増大させる。 USBLシステムからの位置データ遠隔測定は、ルーチンの追跡通信の一部として海底車両のINSナビゲーションソリューションプロセッサに送信することができ、AUVステータス情報は同じプロセスを介して返信することができます。この同じテレメトリを使用して、ミッションを更新するようなAUV上のシステムを制御したり、オン/オフセンサまたは光モデムの設定を変更することができます。車両障害が発生した場合、AvTrak 6は緊急ロケータビーコンとしても機能し、独立したバッテリを節約するためにスタンバイモードに入り、Sonardyne 6Gシステムからの尋問に応答して応答します。

次の場所？

Sonardyneは40年以上にわたりデジタル海洋技術を先駆けて開発してきましたが、同社の技術のアプリケーションのリストは、特に自動化と遠隔操作が関係する分野で年々増加しています。

現代の技術は、小惑星に宇宙船を上陸させることも、地球上の制御ステーションから土星のリングを飛行させることもできるため、地球の海洋における水中無人機の操作は人間の能力の範囲内にあると考えています。同社は、海での人の数が少ないほど、制御、条件ベースのモニタリングおよびデータ収集に有用なデータを提供することが最も重要だと強調しているが、海上または海中での操作は重要な技術的および環境的課題を認識している。

Sonardyne氏はまた、通信回線はポイントツーポイント接続ではなく、複数のシステムが連携して動作し、異なるメディアや変更可能な環境で動作し、インターネット上のさまざまな帯域幅で動作し、光ファイバー、衛星、エンジニアがユーザーが期待するシームレスな接続を提供するために何らかの方法で接続しなければならない多数のデータフォーマット、プロトコル、およびオペレーティングシステムを備えた、無線LAN、ローカルWi-Fiネットワーク、音響モデム、光モデム、イーサネット接続、したがって、複雑なシステムの効果的な統合を達成する上での主な課題は、デジタル通信会社が情報を共有し、標準化されたデータ文字列とプロトコルに同意するという相互運用性です。航空業界および自動車業界は、このような方法で成功することが実証されています。Sonardyneは、海洋テクノロジー業界のすべてのセクションが協力的なアプローチから得られると信じています。デジタル海は既にここにあります。世界の海洋共同体は、それを使用する産業の成長に有益な形でそれを形作ります。

（ Marine Technology Reporterの 2018年3月版に掲載されているように）