Un sistema de posicionamiento acústico submarino [1] [2] es un sistema para el seguimiento y navegación de vehículos submarinos o buzos mediante mediciones acústicas de distancia y/o dirección, y posterior triangulación de la posición. Los sistemas de posicionamiento acústico submarino se utilizan comúnmente en una amplia variedad de trabajos submarinos, incluida la exploración de petróleo y gas, las ciencias oceánicas , las operaciones de salvamento, la arqueología marina , la aplicación de la ley y las actividades militares.
La figura 1 describe el método general de funcionamiento de un sistema de posicionamiento acústico, [3] este es un ejemplo de un sistema de posicionamiento de línea base larga (LBL) para ROV
Los sistemas de posicionamiento acústico miden las posiciones relativas a un conjunto de estaciones de referencia, que deben desplegarse antes de las operaciones. En el caso de un sistema de línea base larga (LBL), se despliega un conjunto de tres o más transpondedores de línea base en el fondo marino. A continuación, debe medirse con precisión la ubicación de los transpondedores de línea base, ya sea entre sí o en coordenadas globales . Algunos sistemas ayudan en esta tarea con un estudio acústico automático y, en otros casos, se utiliza el GPS para establecer la posición de cada transpondedor de línea base durante su despliegue o después de él.
Tras el despliegue y el estudio de la línea base, el sistema de posicionamiento acústico está listo para funcionar. En el ejemplo de línea base larga (véase la figura 1), se monta un interrogador (A) en el ROV que se va a rastrear. El interrogador transmite una señal acústica que es recibida por los transpondedores de línea base (B, C, D, E). La respuesta de los transpondedores de línea base se recibe de nuevo en el ROV. El tiempo de vuelo de la señal o las distancias correspondientes AB, AC, AD y AE se transmiten a través del umbilical del ROV (F) a la superficie, donde se calcula la posición del ROV y se muestra en una pantalla de seguimiento. Las mediciones de la distancia acústica se pueden complementar con datos del sensor de profundidad para obtener una mejor precisión de posicionamiento en el espacio submarino tridimensional.
Los sistemas de posicionamiento acústico pueden ofrecer una precisión de unos pocos centímetros a decenas de metros y pueden utilizarse en distancias operativas de decenas de metros a decenas de kilómetros. El rendimiento depende en gran medida del tipo y modelo del sistema de posicionamiento, su configuración para un trabajo en particular y las características del entorno acústico submarino en el lugar de trabajo.
Los sistemas de posicionamiento acústico submarino generalmente se clasifican en tres grandes tipos o clases [4] [5] [6]
Los sistemas de línea base larga (LBL) , como en la figura 1 anterior, utilizan una red de transpondedores de línea base del fondo marino. Los transpondedores generalmente se montan en las esquinas del sitio de operaciones. Los sistemas LBL brindan una precisión muy alta, generalmente mejor que 1 m y, a veces, tan buena como 0,01 m junto con posiciones muy robustas [7] [8] Esto se debe al hecho de que los transpondedores se instalan en el marco de referencia del propio sitio de trabajo (es decir, en el fondo marino), el amplio espaciado de los transpondedores da como resultado una geometría ideal para los cálculos de posición y el sistema LBL opera sin una ruta acústica hacia la superficie del mar (potencialmente distante).
Los sistemas de línea base ultracorta (USBL) y los sistemas de línea base supercorta (SSBL) relacionados se basan en un conjunto de transductores pequeño (p. ej., 230 mm de ancho) estrechamente integrado que generalmente se monta en el extremo inferior de un poste transductor fuerte y rígido que se instala en el costado o, en algunos casos, en el fondo de un buque de superficie. [9] [10] A diferencia de los sistemas LBL y SBL, que determinan la posición midiendo múltiples distancias, el conjunto de transductores USBL se utiliza para medir la distancia del objetivo desde el poste transductor utilizando el tiempo de ejecución de la señal y la dirección del objetivo midiendo el cambio de fase de la señal de respuesta como lo ven los elementos individuales del conjunto de transductores. La combinación de distancia y dirección fija la posición del objetivo rastreado en relación con el buque de superficie. Luego se utilizan sensores adicionales que incluyen GPS, un giroscopio o una brújula electrónica y una unidad de referencia vertical para compensar la posición y orientación cambiantes (cabeceo, balanceo, rumbo) del buque de superficie y su poste transductor. Los sistemas USBL ofrecen la ventaja de no requerir un conjunto de transpondedores en el fondo marino. La desventaja es que la precisión y la robustez del posicionamiento no son tan buenas como las de los sistemas LBL. La razón es que el ángulo fijo resuelto por un sistema USBL se traduce en un error de posición mayor a mayor distancia. Además, los múltiples sensores necesarios para la compensación de la posición y la orientación del polo del transductor USBL introducen errores adicionales. Por último, la falta de uniformidad del entorno acústico submarino causa refracciones y reflexiones de la señal que tienen un mayor impacto en el posicionamiento USBL que en el caso de la geometría LBL.
Los sistemas de línea base corta (SBL) utilizan una línea base que consta de tres o más transductores de sonar individuales que están conectados por cable a una caja de control central. La precisión depende del espaciado de los transductores y del método de montaje. Cuando se utiliza un espaciado más amplio, como cuando se trabaja desde una gran barcaza de trabajo o cuando se opera desde un muelle u otra plataforma fija, el rendimiento puede ser similar al de los sistemas LBL. Cuando se opera desde una embarcación pequeña donde el espaciado de los transductores es reducido, la precisión se reduce. Al igual que los sistemas USBL, los sistemas SBL se montan con frecuencia en embarcaciones y barcos, pero también son comunes los modos especializados de implementación. Por ejemplo, la Institución Oceanográfica Woods Hole utiliza un sistema SBL para posicionar el ROV de aguas profundas Jason en relación con su peso depresor MEDEA asociado con una precisión informada de 9 cm [11].
Los sistemas de boyas inteligentes GPS (GIB) son dispositivos LBL invertidos donde los transductores son reemplazados por boyas flotantes, autoposicionadas por GPS. La posición rastreada se calcula en tiempo real en la superficie a partir del Tiempo de Llegada (TOA) de las señales acústicas enviadas por el dispositivo submarino y adquiridas por las boyas. Dicha configuración permite un despliegue rápido, sin calibración, con una precisión similar a los sistemas LBL. A diferencia de los sistemas LBL, SBL o USBL, los sistemas GIB utilizan señales acústicas unidireccionales desde el emisor a las boyas, lo que los hace menos sensibles a los reflejos de la superficie o la pared. Los sistemas GIB se utilizan para rastrear AUV, torpedos o buzos, pueden usarse para localizar cajas negras de aviones y pueden usarse para determinar las coordenadas de impacto de armas inertes o activas para fines de prueba y entrenamiento de armas [12] [13] [14] referencias: Sharm-El-Sheih, 2004; Sotchi, 2006; Kayers, 2005; Kayser, 2006; Cardoza, 2006 y otros...). [ aclaración necesaria ]
Un uso temprano de los sistemas de posicionamiento acústico submarino, al que se le atribuye el inicio del desarrollo moderno de estos sistemas, [15] involucró la pérdida del submarino nuclear estadounidense USS Thresher el 10 de abril de 1963 en una profundidad de agua de 2560 m. [16] Se instaló un sistema de posicionamiento acústico de línea de base corta (SBL) en el buque oceanográfico USNS Mizar . Este sistema se utilizó para guiar al batiscafo Trieste 1 al lugar del naufragio. Sin embargo, el estado de la tecnología todavía era tan pobre que de cada diez inmersiones de búsqueda del Trieste 1, solo se hizo contacto visual una vez con los restos. [17] El posicionamiento acústico se utilizó nuevamente en 1966, para ayudar en la búsqueda y posterior recuperación de una bomba nuclear perdida durante el accidente de un bombardero B-52 en el mar frente a las costas de España.
En la década de 1970, la exploración de petróleo y gas en aguas más profundas requirió una precisión mejorada en el posicionamiento submarino para ubicar las sartas de perforación en la posición exacta referenciada anteriormente mediante instrumentación sísmica exhaustiva [18] y para realizar otras tareas de construcción submarina.
Pero la tecnología también empezó a utilizarse en otras aplicaciones. En 1998, el salvador Paul Tidwell y su compañía Cape Verde Explorations lideraron una expedición al lugar del naufragio del submarino de carga japonés I-52 de la Segunda Guerra Mundial en medio del Atlántico. [19] Descansando a una profundidad de 5240 metros, había sido localizado y luego identificado usando un sonar de barrido lateral y un trineo de remolque submarino en 1995. Los registros de la época de la guerra indicaban que el I-52 se dirigía a Alemania, con un cargamento que incluía 146 lingotes de oro en 49 cajas de metal. Esta vez, la compañía del Sr. Tidwell había contratado el buque oceanográfico ruso, el Akademik Mstislav Keldysh con sus dos sumergibles tripulados de aguas profundas MIR-1 y MIR-2 (figura 3). Para facilitar la navegación precisa a través del campo de escombros y asegurar una búsqueda exhaustiva, el MIR-1 desplegó una red de transpondedores de línea de base larga en la primera inmersión. A lo largo de una serie de siete inmersiones con cada sumergible, se realizó una exploración progresiva del campo de escombros. El registro de posicionamiento del LBL indicó que la cobertura de búsqueda se ampliaba después de cada inmersión, lo que permitió al equipo concentrarse en áreas aún no exploradas durante la siguiente inmersión. No se encontró oro, pero el sistema de posicionamiento había documentado la extensión de la búsqueda.
En los últimos años, han surgido varias tendencias en el posicionamiento acústico submarino. Una de ellas es la introducción de sistemas compuestos, como la combinación de LBL y USBL en una configuración denominada LUSBL [20] para mejorar el rendimiento. Estos sistemas se utilizan generalmente en el sector de petróleo y gas en alta mar y otras aplicaciones de alta gama. Otra tendencia es la introducción de sistemas compactos y optimizados para una variedad de propósitos especializados. Por ejemplo, el Departamento de Pesca y Caza de California encargó un sistema (figura 4), que mide continuamente el área de apertura y la geometría de una red de muestreo de peces durante una red de arrastre. Esa información ayuda al departamento a mejorar la precisión de sus evaluaciones de las poblaciones de peces en el delta del río Sacramento .
Se han introducido dispositivos inteligentes a prueba de agua como Apple Watch Ultra y Garmin Descent para funcionar como computadoras de buceo . Estos dispositivos tienen un sensor de profundidad , proporcionan un perfil de inmersión y alertas de seguridad para ascensos rápidos y paradas de seguridad obligatorias utilizando los datos de profundidad. En 2023, los investigadores de la Universidad de Washington demostraron una cuarta clase de posicionamiento submarino 3D para estos dispositivos inteligentes que no requiere soporte de infraestructura como boyas. [21] En su lugar, utilizan técnicas de localización distribuida [22] calculando las distancias por pares entre una red de dispositivos de buceo para determinar la forma de la topología de red resultante. Combinando esto con los datos del sensor de profundidad de estos dispositivos, el buceador líder puede calcular las posiciones 3D relativas de todos los demás dispositivos de buceo.