Os sistemas USBL são soluções de posicionamento acústico que determinam a distância e a direção de veículos, instrumentos e equipamentos submarinos em relação a uma embarcação de superfície. Através de um transceptor instalado na embarcação e de um transponder ou respondedor compatível instalado num ROV ou AUV, estes sistemas permitem o acompanhamento em tempo real, a correção da navegação, a georreferenciação de levantamentos, o posicionamento dinâmico e a recuperação de emergência.
Esta categoria apresenta os principais fornecedores de sistemas USBL para navegação, rastreamento e posicionamento de ROV e AUV em operações submarinas.
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Soluções de ponta em navegação e posicionamento para sistemas não tripulados e robóticos
Soluções de navegação e posicionamento de alta precisão para veículos não tripulados e autónomos
Soluções avançadas de imagem e posicionamento subaquáticos para veículos marítimos não tripulados e autônomos
Sensores de rastreamento, navegação, posicionamento e comunicação para AUV, ROV, USV
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Os sistemas de linha de base ultracurta (USBL) fornecem uma referência acústica externa de posição para veículos e equipamentos submarinos que operam em locais onde os sinais do sistema global de navegação por satélite não conseguem propagar-se. Uma configuração típica associa um transceptor acústico montado numa embarcação a um transponder ou respondedor USBL compatível, fixado ao equipamento subaquático. Ao medir o tempo de percurso e o ângulo de chegada de fase de um impulso acústico devolvido, o sistema determina a distância e a direção precisas do alvo em relação à embarcação de superfície, antes de converter esses vetores relativos em coordenadas geográficas.
A implantação operacional depende em grande medida da plataforma específica do veículo. No caso de uma configuração USBL para um Veículo Operado à Distância (ROV), o sistema proporciona um acompanhamento USBL contínuo e em tempo real aos pilotos e às equipas de levantamento durante todo o processo de lançamento, intervenção e recuperação. No caso das plataformas autónomas, os operadores utilizam a navegação USBL para monitorizar o progresso da missão a partir da superfície e corrigir periodicamente o desvio acumulado da navegação por estimativa dos sensores inerciais de bordo do veículo.
Sistema de Posicionamento Acústico Subaquático USBL «Subsonus» da Advanced Navigation
A função principal de uma configuração de rastreamento USBL consiste em visualizar exatamente onde um veículo subaquático se encontra a operar em relação à embarcação de apoio, à infraestrutura do fundo marinho e aos limites planeados. O software a bordo gera determinações sucessivas de posição que são apresentadas diretamente sobre cartas de levantamento digitais ou corredores de missão predefinidos. Na cabina de controlo de um ROV, estes dados em tempo real permitem ao piloto aproximar-se com segurança das estruturas, monitorizar o desvio do cabo de ligação e manter uma perceção espacial completa, mesmo em condições de visibilidade nula.
Uma vez que um Veículo Subaquático Autónomo (AUV) submerso não tem acesso ao GNSS, tem de calcular a sua posição através da navegação por estimativa, utilizando um sistema de navegação inercial interno auxiliado por um Doppler Velocity Log (DVL). Embora estes sensores a bordo calculem atualizações a alta frequência, pequenos desvios acumulam-se inevitavelmente ao longo do tempo e provocam um desvio na posição calculada. Um sistema de posicionamento USBL de alto desempenho fornece a referência geográfica absoluta necessária para limitar este erro cumulativo, através da fusão de medições acústicas brutas diretamente no filtro de navegação do veículo.
Os levantamentos hidrográficos e geofísicos de alta precisão exigem que todas as observações dos sensores sejam associadas a coordenadas geográficas definitivas. Uma configuração especializada de levantamento USBL consegue isto através da georreferenciação dos sensores da carga útil, tais como sonares multifeixe ou perfiladores do subsolo, montados no veículo. O software associa os dados de posição acústica à atitude exata do veículo e aos desvios físicos dos sensores, utilizando uma sincronização temporal precisa para eliminar erros espaciais durante o movimento.
Um sistema robusto de posicionamento acústico USBL pode também servir como referência crítica de posição acústica para o sistema de posicionamento dinâmico de uma embarcação. Neste modo operacional, um ou mais transponders são fixados em locais conhecidos e estáveis no fundo do mar, permitindo que o transceptor da embarcação calcule a distância relativa e o ângulo em relação a estes pontos fixos. Este apoio acústico é crucial para a automatização e a manutenção da posição quando os sinais GNSS são obstruídos por estruturas offshore.
Caso um ativo subaquático sofra uma perda crítica de alimentação primária, propulsão ou comunicações principais, o sistema USBL assume um papel vital na recuperação. Equipar o veículo com um transpondedor dotado de uma bateria de reserva independente garante que a embarcação de superfície possa continuar a rastrear o equipamento mesmo após uma paragem total do veículo. Estes dados de rastreamento reduzem o raio de busca à superfície, indicando se o veículo está a flutuar, à deriva ou repousando no fundo do mar.
Ranger 2 USBL para AUVs e ROVs da Sonardyne
O transceptor acústico montado na embarcação é o elemento central de hardware do sistema de superfície, responsável por gerar os impulsos de interrogação e processar as respostas submarinas. Determina a distância do alvo medindo o tempo de propagação acústica, ao mesmo tempo que determina a direção de chegada através do processamento das diferenças de fase mínimas da frente de onda recebida nos seus elementos recetores integrados. Para garantir um desempenho fiável, é necessário montar a face do transceptor bem abaixo da superfície da água aerada e do jato da hélice.
Uma matriz de transdutores USBL aloja vários elementos acústicos espaçados entre si de forma muito próxima numa única cabeça compacta. O termo «ultracurto» refere-se explicitamente ao espaçamento reduzido, da ordem dos centímetros, entre estes elementos internos, contrastando com as amplas linhas de base dos métodos acústicos mais antigos. Esta arquitetura compacta elimina a necessidade de instalar vários hidrofones separados ao longo do casco de um navio, embora pequenos erros de medição de fase aumentem proporcionalmente à distância.
Os alvos submarinos dependem de um transponder USBL para receber impulsos de interrogação e enviar respostas acústicas codificadas para a superfície. Em alternativa, uma configuração USBL num ROV pode utilizar um respondedor, que é acionado eletricamente através do cabo umbilical para eliminar o atraso na interrogação acústica e aumentar as taxas de atualização. No caso dos AUV, estes instrumentos são concebidos com limites rigorosos de tamanho, peso e potência, a fim de preservar a autonomia da bateria do veículo.
Uma vez que um sistema USBL apenas calcula a posição relativa, é essencial um recetor GNSS de alta qualidade para estabelecer coordenadas geográficas absolutas. O software a bordo deve aplicar continuamente medições precisas do braço de alavanca para ter em conta a distância física entre a antena GNSS e a cabeça do transceptor submersa. Qualquer discrepância nas coordenadas ou desvio não medido traduzir-se-á diretamente em erros sistemáticos de posicionamento no fundo do mar.
Uma vez que a embarcação à superfície está constantemente a inclinar-se e a balançar, é necessária uma unidade de referência de movimento para estabilizar as medições acústicas. Os dados de atitude de alta frequência permitem que o software projete ângulos acústicos brutos num sistema de coordenadas estável, neutralizando o movimento da embarcação. Uma vez que mesmo pequenos erros angulares causam um desvio de posição significativo em profundidade, os sistemas avançados integram frequentemente o sensor de movimento diretamente no interior da caixa do transceptor.
A velocidade do som na água determina a forma como o tempo de percurso é convertido em distância física e define a forma como as ondas sonoras se refratam ao atravessarem diferentes camadas de água. Um sensor local de velocidade do som na face do transceptor fornece os dados necessários para cálculos de fase imediatos, enquanto lançamentos regulares do perfilador mapeiam a coluna de água. Sem dados de perfil precisos e atualizados, a refração distorcerá tanto a profundidade calculada como a posição horizontal.
Para selecionar a tecnologia de posicionamento adequada, os engenheiros devem comparar o desempenho de um sistema de posicionamento subaquático USBL com o de métodos acústicos alternativos.
Posidonia, posicionamento e rastreio USBL, da Exail
Linha de Base Longa ( LBL): O LBL utiliza uma grelha de múltiplos transponders no fundo do mar para proporcionar um posicionamento de alta precisão, independente da profundidade, mas requer um tempo de implantação significativo.
Embora o LBL e a navegação por estimativa se destaquem em tarefas localizadas ou autónomas, o USBL continua a ser a escolha preferida para operações rápidas e centradas na embarcação.
A escolha de uma configuração USBL ideal requer um equilíbrio entre os ambientes operacionais e as restrições específicas do veículo.
Em última análise, o sistema ideal deve proporcionar uma qualidade de posicionamento verificada dentro dos seus limites operacionais específicos e das interfaces da sua plataforma.
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