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Proveedores de sistemas de posicionamiento USBL
Forcys
Soluciones submarinas de detección, comunicaciones, imágenes, control y navegación para fuerzas navales
Gold Partner
applied acoustics
Tecnologías de navegación, posicionamiento y topografía marítimas y submarinas para aplicaciones navales y de defensa
Silver Partner
Descripción general de los sistemas de posicionamiento de USBL para aplicaciones militares y navales
Introducción a los sistemas de posicionamiento de línea de base ultracorta (USBL)
Los sistemas de posicionamiento de línea de base ultracorta (USBL) proporcionan seguimiento y posicionamiento acústicos para vehículos submarinos, buceadores, sensores y otros activos submarinos. Un sistema de posicionamiento acústico USBL convencional suele medir la distancia oblicua a partir del tiempo de propagación del sonido y la dirección a partir de las diferencias de fase o de tiempo entre elementos transductores muy próximos entre sí, lo que permite a los operadores determinar la posición de un objetivo con respecto a un transceptor instalado en superficie y a la embarcación nodriza. Las configuraciones USBL invertidas, por su parte, pueden situar la matriz receptora en la plataforma submarina.
Para operaciones navales y de defensa, el posicionamiento USBL ofrece una forma práctica de mantener el control de los activos que operan en zonas donde las señales del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) no pueden penetrar. Los sistemas USBL modernos pueden combinar mediciones acústicas con datos del GNSS, el rumbo, la actitud y el movimiento para generar posiciones submarinas georreferenciadas. Un sistema de posicionamiento USBL puede dar soporte a vehículos operados a distancia (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV), buzos, equipos de prospección, objetivos de entrenamiento y sistemas desplegables en el lecho marino.
Aplicaciones de defensa y navales del posicionamiento USBL
Operaciones de contramedidas contra minas
Sistemas de línea de base ultracorta Easytrak, seguimiento USBL, de Applied Acoustics
Las misiones de contramedidas contra minas pueden utilizar el seguimiento USBL para supervisar vehículos submarinos no tripulados (UUV), ROV, sistemas remolcados y otros activos submarinos que participan en actividades de detección, clasificación, identificación y eliminación. Un posicionamiento relativo preciso ayuda a los operadores a correlacionar las ubicaciones de los vehículos o sensores con las características cartografiadas del lecho marino, al tiempo que se mantiene la conciencia operativa.
Estudios hidrográficos y seguridad de las infraestructuras
Los sistemas de levantamiento USBL pueden proporcionar referencias de posición para sensores y vehículos submarinos que realizan tareas hidrográficas, batimétricas y de inspección de infraestructuras. Resultan especialmente útiles a la hora de posicionar un ROV o un AUV en las proximidades de puertos, tuberías, cables, fondeaderos y otras infraestructuras submarinas, donde las posiciones en superficie derivadas del GNSS deben transferirse acústicamente a un activo sumergido.
Seguimiento de embarcaciones no tripuladas y buceadores
Un sistema de seguimiento USBL puede localizar vehículos submarinos y buceadores equipados en relación con un buque de superficie o un vehículo de superficie no tripulado (USV). Las configuraciones USBL para ROV y AUV se utilizan habitualmente para mantener la conciencia posicional durante las misiones submarinas, mientras que el seguimiento USBL de buzos puede facilitar la supervisión, la coordinación y la recuperación durante operaciones de buceo militar e ingeniería submarina.
Despliegue y recuperación de equipos submarinos
Las fuerzas navales pueden utilizar el posicionamiento USBL para guiar el despliegue, la reubicación, la inspección y la recuperación de equipos en el lecho marino. Una baliza o transpondedor USBL acoplado a una carga útil permite supervisar su posición durante el descenso y tras el despliegue, lo que ayuda a las tripulaciones a colocar sensores, equipos de comunicaciones, dispositivos de entrenamiento y otros activos submarinos en las ubicaciones designadas.
Operaciones de campo de tiro y entrenamiento submarinos
Los sistemas de posicionamiento submarino USBL pueden dar apoyo a campos de tiro instrumentados y zonas de entrenamiento mediante el seguimiento de los activos submarinos participantes. La tecnología puede proporcionar una referencia espacial común para vehículos, objetivos y otros objetos instrumentados, lo que facilita la reconstrucción de la misión y la evaluación de los movimientos submarinos.
Componentes principales de un sistema USBL
Un sistema USBL completo combina hardware acústico con sensores de navegación en superficie y software de procesamiento. La configuración depende del alcance requerido, la plataforma, el entorno y la precisión de posicionamiento.
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Ranger 2 USBL de Forcys
Transceptor de superficie o montado en embarcación: El transceptor USBL contiene la matriz de transductores acústicos utilizada para transmitir y recibir señales y determinar la dirección del objetivo, con opciones de instalación que incluyen el montaje en el casco y el despliegue desde un mástil USBL.
- Transpondedores y respondedores submarinos: Un transpondedor USBL suele responder a una interrogación acústica, lo que permite la medición de distancias y el seguimiento bidireccionales. Un respondedor puede activarse a través de una interfaz eléctrica o de comunicaciones independiente, mientras que el seguimiento de balizas o pingers USBL depende de la sincronización y la configuración del sistema.
- Software de procesamiento acústico y posicionamiento: Los componentes electrónicos de procesamiento y el software calculan la distancia y la dirección a partir de las mediciones acústicas del USBL y las combinan con la información procedente de otros sensores de navegación.
- Sistemas de posicionamiento GNSS: Un receptor GNSS de superficie proporciona la posición geográfica de la embarcación o plataforma de apoyo, de modo que las mediciones submarinas relativas puedan convertirse en coordenadas georreferenciadas.
- Sensores de rumbo, actitud y movimiento: Las mediciones de rumbo, cabeceo, balanceo y movimiento se utilizan para compensar la orientación y el desplazamiento de la embarcación. Su alineación, latencia y relación con el transceptor USBL afectan directamente a la posición submarina resultante.
En conjunto, estos elementos permiten que un sistema de línea de base ultracorta transforme las mediciones acústicas de distancia y dirección en información útil para la navegación y el seguimiento.
Comparación con otros sistemas de posicionamiento y navegación submarinos
Línea de base larga (LBL)
En una comparación entre USBL y LBL, la diferencia más significativa radica en la geometría de la línea de base acústica. El sistema LBL suele utilizar múltiples transpondedores distribuidos por el lecho marino, creando líneas de base largas a partir de las cuales un vehículo submarino puede determinar su posición. Puede proporcionar un posicionamiento altamente repetible dentro de una red topográfica, pero requiere el despliegue, la topografía y la gestión de los transpondedores del lecho marino.
Línea de base corta (SBL)
Un sistema de posicionamiento acústico de línea de base corta (SBL) utiliza varios hidrófonos o transductores distribuidos por una embarcación o estructura. Esta separación física crea una línea de base de medición más larga que la que se obtiene con los elementos muy próximos entre sí dentro de un transductor USBL. El sistema SBL puede proporcionar un posicionamiento relativo eficaz, pero su instalación suele requerir más espacio y cableado en la plataforma de alojamiento.
Sistemas de navegación inercial (INS)
Un INS estima el movimiento y la posición mediante sensores inerciales sin necesidad de un contacto acústico continuo con una plataforma de superficie. Su error de posición puede acumularse con el tiempo, por lo que los datos de navegación USBL pueden utilizarse como actualización externa de la posición. La combinación de mediciones inerciales y acústicas USBL puede mejorar la continuidad de la navegación durante el seguimiento acústico intermitente.
Logos de velocidad Doppler (DVL)
Un log de velocidad Doppler (DVL) mide la velocidad del vehículo con respecto al lecho marino o, en algunas configuraciones, con respecto a la columna de agua, mediante mediciones acústicas Doppler. Suele integrarse con un INS para la navegación submarina. El posicionamiento USBL proporciona una observación de posición independiente, referenciada al buque o georreferenciada, en función de la solución de navegación en superficie, lo que puede ayudar a limitar el error de navegación acumulado.
Sensores de profundidad
Los sensores de profundidad basados en la presión proporcionan información precisa sobre la posición vertical, pero no determinan de forma independiente la ubicación horizontal. Cuando se integran con el posicionamiento acústico USBL, las mediciones de profundidad pueden complementar los datos acústicos de distancia y rumbo, y contribuir a una estimación más completa de la posición de un vehículo o de un activo submarino.
Módems acústicos
Los módems acústicos se utilizan principalmente para intercambiar datos a través del agua, más que para proporcionar una solución de posicionamiento completa. No obstante, las funciones de comunicación y posicionamiento pueden integrarse en arquitecturas submarinas compatibles. Por lo tanto, los enlaces de comunicación USBL con capacidad de módem integrada pueden admitir el intercambio de datos de comando, telemetría, informes de estado o navegación, además del seguimiento acústico, siempre que el equipo esté diseñado para estas funciones.
Consideraciones sobre normas y homologación
Las normas pertinentes para un sistema de posicionamiento USBL dependen de su plataforma, misión, programa de adquisición y entorno de instalación. No todas las normas se aplican a todos los sistemas USBL, por lo que los requisitos de homologación deben establecerse en función del perfil operativo previsto.
- IHO S-44: Cuando el posicionamiento USBL contribuye a los resultados de los levantamientos hidrográficos, la norma IHO S-44 establece los requisitos pertinentes en materia de calidad e incertidumbre de dichos levantamientos. La IHO tiene actualmente en vigor la edición 6.2.0 de la norma S-44, con fecha de octubre de 2024. La incertidumbre relacionada con el USBL debe incluirse cuando contribuya al presupuesto de incertidumbre total del levantamiento.
- Calibración y gestión de la incertidumbre: La calibración del USBL debe tener en cuenta la alineación del transceptor, los marcos de referencia de la embarcación, las desviaciones de los sensores, la sincronización y la latencia, la velocidad del sonido, la refracción del rayo acústico y otras fuentes de error sistemático que puedan afectar a la posición submarina resultante.
- MIL-STD-810: Los programas de cualificación ambiental pueden utilizar la norma MIL-STD-810 para desarrollar ensayos adecuados a las tensiones ambientales previstas. La norma hace hincapié en la adaptación ambiental basada en las condiciones de servicio previstas para el equipo, en lugar de prescribir una secuencia de ensayo universal.
- MIL-STD-461: Las instalaciones de defensa pueden exigir que se tengan en cuenta las emisiones electromagnéticas y la susceptibilidad según la norma MIL-STD-461 cuando se integren equipos electrónicos en plataformas militares.
- MIL-STD-167 y MIL-DTL-901: Las instalaciones navales pertinentes pueden exigir una cualificación frente a las vibraciones a bordo con arreglo a las partes pertinentes de la norma MIL-STD-167 y una cualificación frente a impactos de alta intensidad con arreglo a la norma MIL-DTL-901.
Por lo tanto, la homologación debe considerarse un requisito a nivel de plataforma y de programa, en lugar de darse por sentada a partir de las capacidades básicas del sistema acústico USBL.
Selección de un sistema de posicionamiento USBL
La selección de un sistema de posicionamiento acústico de línea de base ultracorta requiere adaptar su rendimiento acústico, sus requisitos de instalación y sus interfaces de navegación a la misión, en lugar de considerar de forma aislada el alcance o la precisión nominal.
- Alcance operativo y profundidad del agua requeridos: El sistema debe mantener un enlace acústico adecuado a lo largo de los alcances oblicuos y las profundidades previstas, teniendo en cuenta la estructura de la velocidad del sonido, las obstrucciones acústicas, el ruido ambiental y las condiciones locales de propagación.
- Precisión y repetibilidad del posicionamiento: La precisión requerida debe considerarse junto con la distancia oblicua, el rendimiento de las mediciones angulares, el movimiento de la embarcación, los efectos de la velocidad del sonido, la alineación de los sensores, las desviaciones del brazo de palanca, la sincronización y el margen de error global de posicionamiento. Los errores angulares pueden generar errores de posición horizontal mayores a medida que aumenta la distancia oblicua.
- Número de objetivos rastreados simultáneamente: Las misiones con múltiples vehículos pueden requerir un sistema de seguimiento USBL capaz de identificar y actualizar varias balizas, buzos, ROV o AUV dentro del ciclo operativo requerido.
- Frecuencia acústica y condiciones ambientales: La selección de la frecuencia implica un equilibrio entre el alcance, las características del transductor y el rendimiento acústico, mientras que las operaciones USBL en aguas poco profundas pueden enfrentarse a retos adicionales relacionados con las trayectorias múltiples y las reflexiones.
- Restricciones de SWaP: El tamaño, el peso, el consumo de energía, las dimensiones del transceptor y los requisitos de las balizas submarinas pueden resultar especialmente importantes para embarcaciones no tripuladas, sistemas portátiles y despliegues de expedición.
- Requisitos de despliegue y calibración: La instalación debe tener en cuenta el procedimiento de calibración del USBL, las desviaciones de los sensores, la alineación del transceptor, los brazos de palanca, la sincronización, las obstrucciones acústicas y la capacidad de verificar el rendimiento del sistema antes de su uso operativo.
En última instancia, debe seleccionarse un sistema de posicionamiento USBL bien integrado como parte de una arquitectura de navegación más amplia, teniendo en cuenta de forma conjunta el rendimiento acústico, los sensores de la plataforma anfitriona, la calibración, las condiciones ambientales y los requisitos de la misión.
