Sistema de posicionamiento acústico de línea de base corta

Un sistema de posicionamiento acústico de línea de base corta (SBL) ^{[ 1 ]} es una de las tres clases principales de sistemas de posicionamiento acústico subacuático que se utilizan para rastrear vehículos y buceadores submarinos. Las otras dos clases son los sistemas de línea de base ultracorta (USBL) y los sistemas de línea de base larga (LBL). Al igual que los sistemas USBL, los sistemas SBL no requieren transpondedores ni equipos instalados en el fondo marino y, por lo tanto, son adecuados para rastrear objetivos submarinos desde embarcaciones o buques anclados o en movimiento. Sin embargo, a diferencia de los sistemas USBL, que ofrecen una precisión fija, la precisión de posicionamiento de los sistemas SBL mejora con la separación entre transductores ^{[ 2 ]} . Por lo tanto, cuando el espacio lo permite, como al operar desde embarcaciones más grandes o un muelle, el sistema SBL puede lograr una precisión y robustez de posicionamiento similar a la de los sistemas LBL instalados en el fondo marino, lo que lo hace adecuado para trabajos de prospección de alta precisión. Al operar desde una embarcación más pequeña donde la separación entre transductores es limitada (es decir, cuando la línea de base es corta), el sistema SBL mostrará una precisión reducida.

Los sistemas de línea base corta determinan la posición de un objetivo rastreado, como un ROV, midiendo la distancia del objetivo a tres o más transductores que, por ejemplo, se bajan por el costado de la embarcación desde la que se realizan las operaciones de rastreo. Estas mediciones de distancia, que a menudo se complementan con datos de profundidad de un sensor de presión, se utilizan para triangular la posición del objetivo. En la figura 1, el transductor de línea base (A) envía una señal, que es recibida por un transpondedor (B) en el objetivo rastreado. El transpondedor responde, y la respuesta es recibida por los tres transductores de línea base (A, C, D). Las mediciones del tiempo de transmisión de la señal proporcionan ahora las distancias BA, BC y BD. Las posiciones resultantes del objetivo son siempre relativas a la ubicación de los transductores de línea base. En los casos en que el rastreo se realiza desde una embarcación en movimiento, pero la posición del objetivo debe conocerse en coordenadas terrestres como latitud/longitud o UTM, el sistema de posicionamiento SBL se combina con un receptor GPS y una brújula electrónica, ambos montados en la embarcación. Estos instrumentos determinan la ubicación y la orientación de la embarcación, que se combinan con los datos de posición relativa del sistema SBL para establecer la posición del objetivo rastreado en coordenadas terrestres.

Los sistemas de línea base corta reciben su nombre del hecho de que el espaciado de los transductores de línea base (en un barco, por ejemplo) suele ser mucho menor que la distancia al objetivo, como un vehículo robótico o un buzo que se aventura lejos del barco ^{[ 3 ].} Como con cualquier sistema de posicionamiento acústico, una línea base más larga produce una mayor precisión de posicionamiento. Los sistemas SBL utilizan este concepto a su favor ajustando el espaciado de los transductores para obtener los mejores resultados ^{[ 4 ].} Cuando se opera desde barcos más grandes, desde muelles o desde el hielo marino donde se puede utilizar un mayor espaciado de transductores, los sistemas SBL pueden proporcionar una precisión y robustez de posicionamiento que se aproxima a la de los sistemas LBL montados en el fondo marino.

Los sistemas SBL se emplean en diversas aplicaciones, a menudo especializadas. Quizás la primera implementación de un sistema de posicionamiento acústico submarino fue un sistema SBL instalado en el buque oceanográfico de la Armada de los Estados Unidos, el USNS Mizar . En 1963, este sistema guió al batiscafo Trieste 1 hasta el lugar del naufragio del submarino nuclear estadounidense USS Thresher . Sin embargo, su rendimiento fue tan deficiente que, de diez inmersiones de búsqueda realizadas por el Trieste 1, solo se logró establecer contacto visual con los restos del naufragio en una ocasión.

La Institución Oceanográfica Woods Hole utiliza un sistema SHARPS SBL para guiar su vehículo robótico submarino JASON, anclado a la superficie, con respecto al depresor MEDEA y la estación de acoplamiento asociada. En lugar de rastrear ambos vehículos con un sistema de posicionamiento desde la superficie, lo que resultaría en una precisión reducida con la distancia de despliegue, los transductores de referencia SBL están montados en MEDEA, lo que permite obtener la posición de JASON con respecto a MEDEA con buena precisión, independientemente de la profundidad de despliegue del sistema. La precisión reportada es de 0,09 m ^{[ 5 ].}

Los sistemas SBL también están disponibles comercialmente para el posicionamiento de pequeños ROV y otros vehículos y equipos submarinos. ^{[ 6 ]}

Un ejemplo de la tecnología SBL se está utilizando actualmente (desde 2007) en la Antártida, donde el Laboratorio Marino de Moss Landing emplea un sistema PILOT SBL para guiar el vehículo submarino operado remotamente SCINI . SCINI (figura 2) es un pequeño vehículo submarino operado remotamente ( ROV ) con forma de torpedo, diseñado para el despliegue y la exploración rápidos y sencillos de sitios remotos alrededor de la Antártida, incluyendo la Isla Heald , Cabo Evans y Bahía de las Velas. El sistema SCINI es compacto y ligero, lo que facilita su despliegue rápido mediante helicópteros, vehículos oruga e incluso trineos. Una vez en el sitio, su cuerpo en forma de torpedo le permite acceder al océano a través de pequeños  orificios (de 20 cm de diámetro) perforados en el hielo marino. Sin embargo, los objetivos científicos de la misión ^{[ 7 ]} exigen una alta precisión en la navegación para respaldar tareas que incluyen recorrer transectos de vídeo de 10 m (líneas rectas), proporcionar posiciones precisas para imágenes fijas para documentar la distribución y la densidad de población de organismos bentónicos y marcar y volver a visitar sitios para una investigación posterior.

El sistema de navegación SBL (figura 3) consta de tres pequeños  transductores de sonar de línea base de 5 cm de diámetro (A, B, C) conectados por cable a una caja de control (D). Un pequeño transpondedor cilíndrico (13,5  cm de largo x 4  cm de diámetro) está montado en el vehículo SCINI. La precisión se optimiza aprovechando el hielo marino plano para colocar los transductores de línea base a una distancia considerable; aproximadamente 35 m en la mayoría de los despliegues de SCINI.

La figura 4 muestra las operaciones de SCINI guiadas por el sistema SBL. La figura 4A muestra una sala de control improvisada para el ROV, en este caso una cabina colocada sobre un agujero en el hielo en Cabo Armitage. De izquierda a derecha, las pantallas son la pantalla de control del ROV (A), la vista de la cámara principal (B), la pantalla de navegación (C) y la pantalla científica (D). El piloto del ROV generalmente observa la vista de la cámara principal. Echa un vistazo a la pantalla de navegación (C), que muestra la posición y la trayectoria actuales del ROV superpuestas en un mapa, para orientarse y guiar el ROV a la ubicación indicada por el científico. El científico, que se muestra aquí sentado a la derecha, dispone de la pantalla científica (D), que combina las imágenes del ROV con datos de posición, profundidad y tiempo en tiempo real. El científico introduce observaciones escritas o verbales en el ordenador para contextualizar los datos, anotar objetos o eventos de interés o indicar el inicio o el final de un transecto de vídeo (figura 4B).

Una investigación típica de un sitio abarca varias inmersiones, a medida que se completan tareas como la investigación inicial, la adquisición de imágenes fijas y los transectos de vídeo. Un elemento crucial en estas series de inmersiones es mostrar la cobertura de búsqueda de la inmersión anterior, de modo que la siguiente pueda dirigirse a un área previamente inexplorada. Esto se logra mediante la generación de un gráfico de cobertura acumulativa del sitio de inmersión (figura 4C). El gráfico, que se actualiza después de cada inmersión, se muestra como un mapa de fondo en la pantalla de navegación, proporcionando así orientación para la inmersión en curso. Muestra las trayectorias anteriores del ROV con colores que indican la profundidad. El análisis de los datos de trayectoria mostrados aquí proporciona la calidad del posicionamiento para establecer un margen de error para las mediciones. En este caso, la precisión típica se ha establecido en 0,54 m.

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  Figura 3: Despliegue del sistema de posicionamiento SBL en Cabo Evans. Maximizar el espaciado de los transductores de sonar de referencia (A, B, C) y disponerlos en un triángulo equilátero proporciona la mejor precisión.
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  Figura 4A: Sala de control de SCINI con cuatro pantallas para el control del ROV (A), vista de la cámara principal (B), pantalla de navegación SBL (C) y pantalla de anotación de imágenes o científica (D).
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  Figura 4B: Las imágenes, la posición asociada, el tiempo y la observación o declaración del científico se combinan en un único registro.
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  Figura 4C: Gráfico de cobertura del sitio de múltiples inmersiones SCINI en Cabo Armitage. Los puntos de color son los rastros de posición codificados por profundidad del vehículo.