Sistema de posicionamento acústico subaquático
Content
Método de operação
A Figura 1 descreve o método geral de operação de um sistema de posicionamento acústico, este é um exemplo de um sistema de posicionamento de linha de base longa (LBL) para o ROV
Os sistemas de posicionamento acústico medem as posições em relação a uma estrutura de estações de linha de base, que devem ser implantadas antes das operações. No caso de um sistema de linha de base (LBL), um conjunto de três ou mais transponders de linha de base é implantado no fundo do mar. A localização dos transponders da linha de base em relação entre si ou nas coordenadas globais deve então ser medida com precisão. Alguns sistemas auxiliam essa tarefa com uma auto-insutação acústica automatizada e, em outros casos, o GPS é usado para estabelecer a posição de cada transponder de linha de base à medida que é implantado ou após a implantação.
Tracking or navigation operationsApós a implantação e pesquisa da linha de base, o sistema de posicionamento acústico está pronto para operações. No longo exemplo de linha de base (veja a Figura 1), um interrogador (a) é montado no ROV que deve ser rastreado. O interrogador transmite um sinal acústico recebido pelos transponders da linha de base (B, C, D, E). A resposta dos transponders da linha de base é recebida novamente no ROV. O tempo de voo do sinal ou as distâncias correspondentes A-B, A-C, A-D e A-E são transmitidas através do ROV Umbilical (F) para a superfície, onde a posição ROV é calculada e exibida em uma tela de rastreamento. As medições de distância acústica podem ser aumentadas por dados do sensor de profundidade para obter melhor precisão de posicionamento no espaço subaquático tridimensional.
Os sistemas de posicionamento acústico podem produzir uma precisão de alguns centímetros a dezenas de metros e podem ser usados a uma distância operacional de dezenas de metros a dezenas de quilômetros. O desempenho depende fortemente do tipo e modelo do sistema de posicionamento, de sua configuração para um trabalho específico e das características do ambiente acústico subaquático no local de trabalho.
Aulas
Os sistemas de posicionamento acústico subaquático geralmente são categorizados em três tipos amplos ou classes
Os sistemas de linha de base longa (LBL), como na Figura 1 acima, usam uma rede de transponder da linha de base do piso do mar. Os transponders geralmente são montados nos cantos do local de operações. Os sistemas LBL produzem uma precisão muito alta geralmente melhor que 1 m e às vezes tão boa quanto 0,01m, juntamente com posições muito robustas, isso se deve ao fato de que os transponders estão instalados no quadro de referência do próprio local de trabalho (ou seja, no fundo do mar ), o amplo espaçamento do transponder resulta em uma geometria ideal para cálculos de posição, e o sistema LBL opera sem um caminho acústico para a superfície do mar (potencialmente distante).
Os sistemas de linha de base ultra-short (USBL) e os sistemas de linha de base super curto (SSBL) relacionados dependem de um pequeno (por exemplo, 230 mm de diâmetro), uma matriz de transdutores fortemente integrada que normalmente é montada na extremidade inferior de uma forte, rígida, rígida Pólo do transdutor, instalado no lado ou em alguns casos na parte inferior de um vaso de superfície. Ao contrário dos sistemas LBL e SBL, que determinam a posição medindo várias distâncias, a matriz do transdutor USBL é usada para medir a distância alvo do pólo do transdutor usando o tempo de execução do sinal e a direção do alvo medindo a mudança de fase do sinal de resposta como visto como visto pelos elementos individuais da matriz do transdutor. A combinação de distância e direção corrige a posição do alvo rastreado em relação ao vaso de superfície. Sensores adicionais, incluindo GPS, um giroscópio ou bússola eletrônica e uma unidade de referência vertical, são usados para compensar a posição e a orientação da mudança (afinação, rolagem, rolamento) do vaso de superfície e seu pólo de transdutor. A USBL Systems oferece a vantagem de não exigir uma matriz de transponder do fundo do mar. A desvantagem é que a precisão e a robustez do posicionamento não são tão boas quanto para os sistemas LBL. O motivo é que o ângulo fixo resolvido por um sistema USBL se traduz em um erro de posição maior a uma distância maior. Além disso, os múltiplos sensores necessários para a posição e a compensação de orientação do transdutor USBL introduzem erros adicionais. Finalmente, a não uniformidade do ambiente acústico subaquático causa refrações e reflexões de sinal que têm um impacto maior no posicionamento do USBL do que o caso da geometria LBL.
Os sistemas de linha de base curta (SBL) usam uma linha de base que consiste em três ou mais transdutores de sonar individuais que são conectados por fio a uma caixa de controle central. A precisão depende do espaçamento do transdutor e do método de montagem. Quando um espaçamento mais amplo é empregado como quando trabalha em uma grande barcaça de trabalho ou ao operar a partir de uma doca ou outra plataforma fixa, o desempenho pode ser semelhante aos sistemas LBL. Ao operar a partir de um pequeno barco onde o espaçamento do transdutor é apertado, a precisão é reduzida. Como os sistemas USBL, os sistemas SBL são frequentemente montados em barcos e navios, mas modos de implantação especializados também são comuns. Por exemplo, o Woods Hole Oceanographic Institution usa um sistema SBL para posicionar o Jason Deep-Ocean ROV em relação ao seu peso de depressor de Medea associado com uma precisão relatada de 9 cm
Os sistemas de bóias inteligentes GPS (GIB) são dispositivos LBL invertidos, onde os transdutores são substituídos por bóias flutuantes, auto-posicionadas pelo GPS. A posição rastreada é calculada em tempo real na superfície a partir da hora da chegada (TOAs) dos sinais acústicos enviados pelo dispositivo subaquático e adquiridos pelas bóias. Essa configuração permita a implantação rápida e sem calibração com uma precisão semelhante aos sistemas LBL. No oposto dos sistemas LBL, SBL ou USBL, os sistemas GIB usam sinais acústicos unidirecionais do emissor para as bóias, tornando-o menos sensível às reflexões de superfície ou parede. Os sistemas GIB são usados para rastrear AUVs, torpedos ou mergulhadores, podem ser usados para localizar caixas pretas de aviões e podem ser usadas para determinar as coordenadas de impacto de armas inertes ou vivas para testes de armas e fins de treinamento referências: Sharm-El-Sheih , 2004; Sotchi, 2006; Kayers, 2005; Kayser, 2006; Cardoza, 2006 e outros ...). [Esclarecimento necessário]
História e exemplos de uso
Um uso precoce de sistemas de posicionamento acústico subaquático, creditado por iniciar o desenvolvimento moderno desses sistemas, envolveu a perda do submarino nuclear americano Thresher em 10 de abril de 1963 em uma profundidade de água de 2560m. Um sistema de posicionamento de linha de base curta acústico (SBL) foi instalado no navio oceanográfico USNS Mizar. Este sistema foi usado para orientar o BathyScaphe Trieste 1 no local da naufrágio. No entanto, o estado da tecnologia ainda era tão ruim que em dez mergulhos de busca do Trieste 1, o contato visual só foi feito uma vez com os destroços. O posicionamento acústico foi novamente usado em 1966, para ajudar na busca e subsequente recuperação de uma bomba nuclear perdida durante o acidente de um bombardeiro B-52 no mar, na costa da Espanha.
Na década de 1970, a exploração de petróleo e gás em águas mais profundas exigiu uma precisão aprimorada de posicionamento subaquático para colocar strings de perfuração na posição exata referenciada pela instrumentação sísmica completa anterior e para executar outras tarefas de construção subaquática.
Mas a tecnologia também começou a ser usada em outras aplicações. Em 1998, Salvager Paul Tidwell e sua empresa Cape Verde Explorations lideraram uma expedição ao local da destruição do submarino de carga japonesa da Segunda Guerra Mundial na I-52 no meio do Atlântico. Descansando a uma profundidade de 5240 metros, ela havia sido localizada e depois identificada usando sonar de varredura lateral e um trenó subaquático em 1995. Os registros de tempo de guerra indicaram que a I-52 estava com destino à Alemanha, com uma carga, incluindo 146 barras de ouro em 49 caixas de metal. Desta vez, a Companhia de Tidwell contratou o navio oceanográfico russo, o Akademik Mstislav Keldysh com seus dois submersíveis de Óteanos Deepalhados MiR-1 e Mir-2 (Figura 3). Para facilitar a navegação precisa no campo de detritos e garantir uma pesquisa completa, o miR-1 implantou uma longa rede de transponder de linha de base no primeiro mergulho. Em uma série de sete mergulhos de cada submersível, o campo de detritos foi progressivamente pesquisado. O registro de posicionamento da LBL indicou a cobertura de pesquisa ampliada após cada mergulho, permitindo que a equipe se concentre em áreas ainda não pesquisadas durante o mergulho a seguir. Nenhum ouro foi encontrado, mas o sistema de posicionamento documentou a extensão da pesquisa.
Nos últimos anos, surgiram várias tendências no posicionamento acústico subaquático. Uma é a introdução de sistemas compostos, como a combinação de LBL e USBL na chamada configuração LUSBL para melhorar o desempenho. Esses sistemas são geralmente usados no setor de petróleo e gás offshore e em outras aplicações de ponta. Outra tendência é a introdução de sistemas compactos otimizados para tarefas para uma variedade de fins especializados. Por exemplo, o Departamento de Peixes e Game da Califórnia encomendou um sistema (Figura 4), que mede continuamente a área de abertura e a geometria de uma rede de amostragem de peixes durante uma arrasto. Essa informação ajuda o departamento a melhorar a precisão de suas avaliações de estoque de peixes no Delta do Rio Sacramento.
