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 posición. Los sistemas de posicionamiento acústico subacuático se utilizan comúnmente en una amplia variedad de trabajos submarinos, incluida la exploración de petróleo y gas, ciencias oceánicas , operaciones de salvamento, arqueología marina , aplicación de la ley y actividades militares.
La Figura 1 describe el método general de operación de un sistema de posicionamiento acústico, [3] este es un ejemplo de un sistema de posicionamiento de línea de base larga (LBL) para ROV
Los sistemas de posicionamiento acústico miden las posiciones relativas a un marco de estaciones de referencia, que deben desplegarse antes de las operaciones. En el caso de un sistema de línea de base larga (LBL), se despliega un conjunto de tres o más transpondedores de línea de base en el fondo del mar. A continuación se debe medir con precisión la ubicación de los transpondedores de referencia entre sí o en coordenadas globales . Algunos sistemas ayudan en esta tarea con una autoevaluación acústica automatizada y, en otros casos, se utiliza el GPS para establecer la posición de cada transpondedor de referencia a medida que se despliega o después del despliegue.
Tras el despliegue y el estudio de referencia, el sistema de posicionamiento acústico está listo para funcionar. En el ejemplo de línea de base larga (ver 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 nuevamente 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 la posición del ROV se calcula y se muestra en una pantalla de seguimiento. Las mediciones de distancia acústica se pueden aumentar con datos del sensor de profundidad para obtener una mejor precisión de posicionamiento en el espacio submarino tridimensional.
Los sistemas de posicionamiento acústico pueden producir una precisión de unos pocos centímetros a decenas de metros y pueden usarse 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 subacuático en el lugar de trabajo.
Los sistemas de posicionamiento acústico subacuático generalmente se clasifican en tres grandes tipos o clases [4] [5] [6]
Los sistemas de línea de base larga (LBL) , como en la figura 1 anterior, utilizan una red de transpondedor de línea de base del fondo marino. Los transpondedores suelen montarse en las esquinas del lugar de operaciones. Los sistemas LBL producen 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 lugar de trabajo. (es decir, en el fondo del mar), la amplia separación entre transpondedores da como resultado una geometría ideal para los cálculos de posición, y el sistema LBL funciona sin una ruta acústica hacia la superficie del mar (potencialmente distante).
Los sistemas de línea de base ultracorta (USBL) y los sistemas relacionados de línea de base súper corta (SSBL) se basan en un conjunto de transductores pequeños (por ejemplo, 230 mm de ancho) estrechamente integrados que normalmente se montan en el extremo inferior de un soporte rígido y resistente. poste transductor que se instala en el costado o, en algunos casos, en el fondo de un recipiente 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 objetivo desde el polo del transductor utilizando el tiempo de ejecución de la señal y la dirección del objetivo midiendo el cambio de fase. de la señal de respuesta vista por los elementos individuales del conjunto de transductores. La combinación de distancia y dirección fija la posición del objetivo rastreado en relación con la embarcación de superficie. Luego se utilizan sensores adicionales, incluidos GPS, un giroscopio o brújula electrónica y una unidad de referencia vertical, para compensar la posición y orientación cambiantes (cabeceo, balanceo, rumbo) de la embarcación de superficie y su poste transductor. Los sistemas USBL ofrecen la ventaja de no requerir una matriz de transpondedores en el fondo marino. La desventaja es que la precisión y 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 orientación y posición polar del transductor USBL introducen errores adicionales. Finalmente, la falta de uniformidad del entorno acústico subacuático provoca refracciones y reflexiones de la señal que tienen un mayor impacto en el posicionamiento del USBL que en el caso de la geometría LBL.
Los sistemas de línea de base corta (SBL) utilizan una línea de 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 emplea un espacio más amplio, como cuando se trabaja desde una barcaza de trabajo grande 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 espacio entre 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 de implementación especializados. 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 se sustituyen por boyas flotantes, autoposicionadas mediante 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. Esta configuración permite una implementación rápida y sin calibración con una precisión similar a la de 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 las paredes. 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 reales con fines de entrenamiento y pruebas de armas [12] [13] [ 14] referencias: Sharm-El-Sheih, 2004; Sochi, 2006; Kayers, 2005; Kayser, 2006; Cardoza, 2006 y otros...). [ se necesita aclaración ]
Uno de los primeros usos de sistemas de posicionamiento acústico submarino, al que se le atribuye el inicio del desarrollo moderno de estos sistemas, [15] implicó 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 acústico de posicionamiento de línea de base corta (SBL) en el buque oceanográfico USNS Mizar . Este sistema se utilizó para guiar el batiscafo Trieste 1 hasta el lugar del naufragio. Sin embargo, el estado de la tecnología era todavía tan pobre que de cada diez inmersiones de búsqueda realizadas por Trieste 1, sólo se estableció contacto visual con los restos una vez. [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 requería una mayor precisión de posicionamiento bajo el agua para colocar las sartas de perforación en la posición exacta a la que se hacía referencia anteriormente mediante instrumentación sísmica exhaustiva [18] y para realizar otras tareas de construcción bajo el agua.
Pero la tecnología también comenzó a utilizarse en otras aplicaciones. En 1998, el salvador Paul Tidwell y su compañía Cape Verde Explorations dirigieron una expedición al lugar del naufragio del submarino de carga japonés I-52 de la Segunda Guerra Mundial en el Atlántico medio. [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 tiempos de guerra indicaban que el I-52 se dirigía a Alemania, con un cargamento que incluía 146 monedas de oro. barras en 49 cajas de metal. Esta vez, la empresa del Sr. Tidwell había contratado el buque oceanográfico ruso Akademik Mstislav Keldysh con sus dos sumergibles tripulados de aguas profundas MIR-1 y MIR-2 (figura 3). Para facilitar una navegación precisa a través del campo de escombros y asegurar una búsqueda exhaustiva, MIR-1 desplegó una larga red de transpondedores de referencia en la primera inmersión. A lo largo de una serie de siete inmersiones de cada sumergible, se buscó progresivamente el campo de escombros. El registro de posicionamiento del LBL indicó la ampliación de la cobertura de búsqueda después de cada inmersión, lo que permitió al equipo concentrarse en áreas aún no buscadas durante la siguiente inmersión. No se encontró oro, pero el sistema de posicionamiento había documentado el alcance de la búsqueda.
En los últimos años han surgido varias tendencias en el posicionamiento acústico subacuático. Una es la introducción de sistemas compuestos como la combinación de LBL y USBL en la configuración denominada LUSBL [20] para mejorar el rendimiento. Estos sistemas se utilizan generalmente en el sector de petróleo y gas marino y otras aplicaciones de alto nivel. 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 pesca de arrastre. Esa información ayuda al departamento a mejorar la precisión de sus evaluaciones de poblaciones de peces en el delta del río Sacramento .
Se han introducido dispositivos inteligentes resistentes al agua como Apple Watch Ultra y Garmin Descent para que funcionen como computadoras de buceo . Estos dispositivos cuentan con 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, 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 diversos para determinar la forma de la topología de red resultante. Combinando esto con los datos de los sensores de profundidad de estos dispositivos, el buzo líder puede calcular las posiciones relativas en 3D de todos los demás dispositivos de buceador.