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Fabricantes y proveedores del sistema USBL
Exail
Soluciones de vanguardia en navegación y posicionamiento para sistemas no tripulados y robóticos
Platinum Partner
Advanced Navigation
Soluciones de navegación y posicionamiento de alta precisión para vehículos no tripulados y autónomos
Platinum Partner
Cerulean Sonar
Soluciones avanzadas de imagen y posicionamiento submarinos para vehículos marinos no tripulados y autónomos
Gold Partner
Sonardyne International
Sensores de seguimiento, navegación, posicionamiento y comunicación para AUV, ROV y USV
Gold Partner
Guía completa sobre los sistemas USBL para el posicionamiento de ROV y AUV
Introducción a los sistemas de línea de base ultracorta (USBL)
Los sistemas de línea de base ultracorta (USBL) proporcionan una referencia acústica externa de posición para vehículos y equipos submarinos que operan en zonas donde las señales de los sistemas globales de navegación por satélite no pueden propagarse. Una configuración típica consiste en emparejar un transceptor acústico instalado en una embarcación con un transpondedor o respondedor USBL compatible acoplado al activo submarino. Mediante la medición del tiempo de recorrido y del ángulo de llegada de fase de un pulso acústico devuelto, el sistema determina la distancia y la dirección precisas del objetivo con respecto a la embarcación de superficie, antes de convertir estos vectores relativos en coordenadas geográficas.
El despliegue operativo depende en gran medida de la plataforma específica del vehículo. En el caso de una configuración USBL para un vehículo operado a distancia (ROV), el sistema proporciona un seguimiento USBL continuo y en tiempo real a los pilotos y a las tripulaciones de prospección durante todo el proceso de lanzamiento, intervención y recuperación. En el caso de las plataformas autónomas, los operadores utilizan la navegación USBL para supervisar el progreso de la misión desde la superficie y corregir periódicamente la deriva acumulada por navegación a estima de los sensores inerciales a bordo del vehículo.
Funciones principales de los sistemas USBL para ROV y AUV
Seguimiento en tiempo real y conocimiento de la situación
Sistema de posicionamiento acústico submarino USBL «Subsonus» de Advanced Navigation
La función principal de un sistema de seguimiento USBL es visualizar con exactitud la posición en la que se encuentra un vehículo submarino en relación con el buque de apoyo, la infraestructura del fondo marino y los límites previstos. El software de superficie genera posiciones sucesivas que se muestran directamente sobre cartas de levantamiento digitales o corredores de misión predefinidos. Desde la cabina de control de un ROV, estos datos en tiempo real permiten al piloto acercarse con seguridad a las estructuras, supervisar la desviación del cable de sujeción y mantener una conciencia espacial completa, incluso en condiciones de visibilidad nula.
Corrección de navegación (navegación por estimación)
Dado que un vehículo submarino autónomo (AUV) sumergido no puede acceder al GNSS, debe calcular su posición mediante navegación por estimación, utilizando un sistema de navegación inercial interno asistido por un log de velocidad Doppler (DVL). Aunque estos sensores a bordo calculan actualizaciones a alta frecuencia, con el tiempo se acumulan inevitablemente pequeños desvíos que provocan una deriva en la posición calculada. Un sistema de posicionamiento USBL de alto rendimiento proporciona la referencia geográfica absoluta necesaria para limitar este error acumulativo, fusionando las mediciones acústicas sin procesar directamente en el filtro de navegación del vehículo.
Topografía y georreferenciación
Los levantamientos hidrográficos y geofísicos de alta precisión requieren que todas las observaciones de los sensores se vinculen a coordenadas geográficas definitivas. Una configuración especializada de USBL para levantamientos lo consigue mediante la georreferenciación de los sensores de la carga útil, como los sonares multihaz o los perfiladores del subsuelo, montados en el vehículo. El software vincula los datos de posición acústica con la actitud exacta del vehículo y las desviaciones físicas de los sensores utilizando una sincronización temporal precisa para eliminar los errores espaciales durante el movimiento.
Referencia de posicionamiento dinámico (DP)
Un sistema de posicionamiento acústico USBL robusto también puede servir como referencia de posición acústica fundamental para el sistema de posicionamiento dinámico de una embarcación. En este modo operativo, uno o varios transpondedores se anclan en ubicaciones conocidas y estables del lecho marino, lo que permite al transceptor de la embarcación calcular la distancia relativa y el ángulo con respecto a estos puntos fijos. Este respaldo acústico resulta crucial para la automatización y el mantenimiento de la posición cuando las señales GNSS se ven obstaculizadas por estructuras marítimas.
Recuperación de emergencia
Si un activo submarino sufre una pérdida crítica de la alimentación principal, la propulsión o las comunicaciones principales, el sistema USBL asume una función vital de recuperación. Equipar el vehículo con un transpondedor que cuente con una batería de reserva independiente garantiza que la embarcación de superficie pueda seguir rastreando el activo incluso tras un apagón total del vehículo. Estos datos de rastreo reducen el radio de búsqueda en superficie, indicando si el vehículo está flotando, a la deriva o reposando sobre el lecho marino.
Componentes clave de un sistema USBL
Transceptor acústico instalado en la embarcación
Ranger 2 USBL para AUV y ROV de Sonardyne
El transceptor acústico montado en la embarcación es el elemento de hardware fundamental del sistema de superficie, encargado de generar los pulsos de interrogación y de procesar las respuestas submarinas. Determina la distancia al objetivo midiendo el tiempo de propagación acústica, al tiempo que calcula la dirección de llegada mediante el procesamiento de las mínimas diferencias de fase del frente de onda entrante a través de sus elementos receptores integrados. Para garantizar un rendimiento fiable, es necesario instalar la cara del transceptor muy por debajo de la superficie del agua aireada y de la estela de la hélice.
Matrices de hidrófonos y transductores
Una matriz de transductores USBL alberga múltiples elementos acústicos muy próximos entre sí dentro de un único cabezal compacto. El término «ultracorto» se refiere explícitamente al estrecho espaciado, a escala de centímetros, entre estos elementos internos, lo que contrasta con las amplias líneas de base de los métodos acústicos más antiguos. Esta arquitectura compacta elimina la necesidad de instalar múltiples hidrófonos separados a lo largo del casco de un buque, aunque los pequeños errores de medición de fase aumentarán proporcionalmente con la distancia.
Transpondedores para ROV y AUV
Los objetivos submarinos dependen de un transpondedor USBL para recibir pulsos de interrogación y devolver respuestas acústicas codificadas a la superficie. Como alternativa, una configuración USBL para un ROV puede utilizar un respondedor, que se activa eléctricamente a través del cable umbilical para eliminar el retraso en la interrogación acústica y aumentar las frecuencias de actualización. En el caso de los AUV, estos instrumentos se diseñan con estrictos límites de tamaño, peso y potencia para preservar la autonomía de la batería del vehículo.
Receptores GNSS
Dado que un sistema USBL solo calcula la posición relativa, es esencial disponer de un receptor GNSS de alta precisión para establecer las coordenadas geográficas absolutas. El software de superficie debe aplicar continuamente mediciones precisas del brazo de palanca para tener en cuenta la distancia física entre la antena GNSS y el cabezal transceptor sumergido. Cualquier discrepancia en las coordenadas o cualquier desviación no medida se traducirá directamente en errores sistemáticos de posicionamiento en el lecho marino.
Unidades de referencia de movimiento y sensores inerciales
Dado que la embarcación de superficie se ve sometida constantemente a movimientos de cabeceo y balanceo, se requiere una unidad de referencia de movimiento para estabilizar las mediciones acústicas. Los datos de actitud de alta frecuencia permiten al software proyectar los ángulos acústicos brutos en un sistema de coordenadas estable, neutralizando el movimiento de la embarcación. Dado que incluso los errores angulares más pequeños provocan una deriva significativa de la posición en profundidad, los sistemas avanzados suelen integrar el sensor de movimiento directamente en el interior de la carcasa del transceptor.
Sensores de velocidad del sonido y perfiladores
La velocidad del sonido en el agua determina cómo se convierte el tiempo de recorrido en distancia física y cómo se refractan las ondas sonoras al atravesar las diferentes capas de agua. Un sensor local de velocidad del sonido situado en la cara del transceptor proporciona los datos necesarios para realizar cálculos de fase inmediatos, mientras que los lanzamientos periódicos del perfilador cartografían la columna de agua. Sin datos de perfil precisos y actualizados, la refracción distorsionará tanto la profundidad calculada como la posición horizontal.
Comparación del USBL con otros métodos de posicionamiento subacuático
Para seleccionar la tecnología de posicionamiento adecuada, los ingenieros deben comparar el rendimiento de un sistema de posicionamiento submarino USBL con el de otros métodos acústicos alternativos.
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Posidonia, posicionamiento y seguimiento USBL, de Exail
Línea de base larga ( LBL): El sistema LBL utiliza una red de múltiples transpondedores en el lecho marino para ofrecer un posicionamiento de alta precisión independiente de la profundidad, pero requiere un tiempo de despliegue considerable.
- Línea de base corta ( SBL): el SBL mide los retrasos de la señal entre transductores montados en el casco y muy separados entre sí, lo que ofrece una buena geometría, pero requiere una instalación permanente y compleja en la embarcación.
- LBL dispersa: este método híbrido combina un INS a bordo con uno o dos transpondedores en el lecho marino, lo que reduce la logística de despliegue al tiempo que mantiene la estabilidad en aguas profundas.
- Navegación por estimación asistida por DVL: Este enfoque autónomo combina DVL y sensores inerciales en el vehículo para navegar sin conexión con la superficie, aunque su posición se desvía con el tiempo.
Si bien el LBL y la navegación por estimación destacan en tareas localizadas o autónomas, el USBL sigue siendo la opción preferida para operaciones rápidas centradas en el buque.
Selección de un sistema USBL para ROV y AUV
La elección de una configuración USBL óptima requiere equilibrar los entornos operativos con las limitaciones específicas del vehículo.
- Profundidad de funcionamiento y alcance oblicuo requeridos: el seguimiento en aguas profundas requiere sistemas de baja frecuencia para superar la absorción, mientras que el USBL en aguas poco profundas exige configuraciones de alta frecuencia y haz amplio para mitigar la interferencia multitrayectoria.
- Precisión de posicionamiento requerida: los errores angulares aumentan con la distancia, lo que significa que las tareas de alta precisión, como la inspección de tuberías, requieren integrar el USBL con sensores de movimiento de alta precisión o sistemas inerciales.
- Requisitos de misión de los ROV frente a los AUV: Los ROV utilizan transpondedores alimentados por cable umbilical para lograr altas frecuencias de actualización, mientras que los AUV requieren transpondedores ligeros y de bajo consumo que admitan telemetría acústica y modos de emergencia.
- Sistemas portátiles frente a sistemas permanentes: Los sistemas portátiles de montaje exterior ofrecen una movilización rápida para buques de oportunidad, mientras que los sistemas permanentes montados en el casco proporcionan un funcionamiento estable y precalibrado para buques especializados.
En definitiva, el sistema ideal debe ofrecer una calidad de posición verificada dentro de sus límites operativos específicos y de las interfaces de su plataforma.
