Sistema de posicionamiento acústico subacuático

Un sistema de posicionamiento acústico subacuático ^{[ 1 ] [ 2 ]} es un sistema para el seguimiento y la navegación de vehículos o buzos subacuáticos mediante mediciones acústicas de distancia y/o dirección, y la posterior triangulación de la posición. Los sistemas de posicionamiento acústico subacuático se utilizan comúnmente en una amplia variedad de trabajos subacuáticos, incluyendo la exploración de petróleo y gas, las ciencias oceánicas , las operaciones de salvamento, la arqueología marina , las fuerzas del orden y las actividades militares.

Se describe el método general de operación de un sistema de posicionamiento acústico para un ejemplo de un sistema de posicionamiento de línea de base larga (LBL) para un ROV ^{[ 3 ].}

Despliegue y estudio de la estación de referencia

Los sistemas de posicionamiento acústico miden las posiciones con respecto a una red de estaciones de referencia, que deben desplegarse antes de las operaciones. En el caso de un sistema de línea de base larga (LBL), se despliegan tres o más transpondedores de referencia en el lecho marino. La ubicación de los transpondedores de referencia, ya sea entre sí o en coordenadas globales, debe medirse con precisión. Algunos sistemas facilitan esta tarea mediante un autoanálisis acústico automatizado, y en otros casos se utiliza GPS para determinar la posición de cada transpondedor de referencia durante su despliegue o después del mismo. ^{[ 3 ]}

Los sistemas de posicionamiento acústico subacuático generalmente se clasifican en tres tipos o clases amplias ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ].}

Los sistemas de línea de base larga (LBL) utilizan una red de transpondedores de línea de base en el fondo marino. Los transpondedores suelen estar montados en las esquinas del área de operaciones. Los sistemas LBL ofrecen una precisión muy alta, generalmente superior a 1 m y, en ocasiones, de hasta 0,01 m, junto con posiciones muy robustas ^{[ 7 ] [ 8 ].} Esto se debe a que los transpondedores están instalados en el marco de referencia del propio lugar de trabajo (es decir, en el fondo marino), el amplio espaciado entre transpondedores da como resultado una geometría ideal para los cálculos de posición, y el sistema LBL funciona sin una trayectoria acústica hacia la superficie del mar (potencialmente distante).

Los sistemas de línea de base ultracorta (USBL) y los sistemas de línea de base súper corta (SSBL) relacionados se basan en un  conjunto de transductores pequeño (p. ej., 230 mm de diámetro), estrechamente integrado, que normalmente se monta en el extremo inferior de un mástil de transductor robusto y rígido, instalado en el lateral o, en algunos casos, en el fondo de una embarcación de superficie. ^{[ 9 ] [ 10 ]} A diferencia de los sistemas LBL y SBL, que determinan la posición midiendo múltiples distancias, el conjunto de transductores USBL se utiliza para medir la distancia del objetivo desde el mástil del transductor mediante el tiempo de transmisión de la señal, y la dirección del objetivo midiendo el desfase de la señal de respuesta vista por los elementos individuales del conjunto de transductores. La combinación de distancia y dirección fija la posición del objetivo rastreado con respecto a la embarcación de superficie. Posteriormente, se utilizan sensores adicionales, como GPS, un giroscopio o brújula electrónica y una unidad de referencia vertical, para compensar los cambios de posición y orientación (cabeceo, balanceo, rumbo) de la embarcación de superficie y su mástil de transductor. Los sistemas USBL ofrecen la ventaja de no requerir una matriz de transpondedores en el fondo marino. La desventaja es que la precisión y la robustez del posicionamiento no son tan buenas como en los sistemas LBL. Esto se debe a que el ángulo fijo resuelto por un sistema USBL se traduce en un mayor error de posición a mayor distancia. Además, los múltiples sensores necesarios para la compensación de la posición y orientación del polo del transductor USBL introducen errores adicionales. Finalmente, la falta de uniformidad del entorno acústico submarino provoca refracciones y reflexiones de la señal que tienen un mayor impacto en el posicionamiento USBL que en el caso de la geometría LBL.

Los sistemas de línea de base corta (SBL) utilizan una línea de base compuesta por tres o más transductores de sonar individuales conectados por cable a una caja de control central. La precisión depende del espaciado entre transductores y del método de montaje. Cuando se emplea un espaciado mayor, como al trabajar desde una gran barcaza de trabajo o al operar desde un muelle u otra plataforma fija, el rendimiento puede ser similar al de los sistemas LBL. Al operar desde una embarcación pequeña donde el espaciado entre transductores es reducido, la precisión disminuye. Al igual que los sistemas USBL, los sistemas SBL se montan frecuentemente en barcos y buques, pero también son comunes los modos de despliegue especializados. Por ejemplo, la Institución Oceanográfica Woods Hole utiliza un sistema SBL para posicionar el ROV de aguas profundas Jason con respecto a su peso depresor MEDEA asociado, con una precisión reportada de 9 cm ^{[ 11 ].} 

Los sistemas de boyas inteligentes GPS (GIB) son dispositivos LBL invertidos donde los transductores se reemplazan por boyas flotantes, autoposicionadas por GPS. La posición rastreada se calcula en tiempo real en la superficie a partir del tiempo de llegada (TOA) de las señales acústicas enviadas por el dispositivo subacuático y adquiridas por las boyas. Esta configuración permite un despliegue rápido y sin calibración con una precisión similar a la de los sistemas LBL. A diferencia de los sistemas LBL, SBL o USBL, los sistemas GIB utilizan señales acústicas unidireccionales desde el emisor a las boyas, lo que los hace menos sensibles a las reflexiones de la superficie o las paredes. Los sistemas GIB se utilizan para rastrear vehículos submarinos autónomos (AUV), torpedos o buceadores, pueden utilizarse para localizar las cajas negras de los aviones y pueden utilizarse para determinar las coordenadas de impacto de armas inertes o reales para pruebas y entrenamiento de armas ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ].}

Un uso temprano de sistemas de posicionamiento acústico submarino, al que se le atribuye el inicio del desarrollo actual de estos sistemas, ^{[ 15 ]} involucró la pérdida del submarino nuclear estadounidense USS Thresher el 10 de abril de 1963 en una profundidad de agua de 2560 m. ^{[ 16 ]} Se instaló un sistema de posicionamiento acústico de línea de base corta (SBL) en el buque oceanográfico USNS Mizar . Este sistema se utilizó para guiar al batiscafo Trieste 1 hasta el lugar del naufragio. Sin embargo, el estado de la tecnología era todavía tan deficiente que de diez inmersiones de búsqueda del Trieste 1, solo se hizo contacto visual una vez con los restos. ^{[ 17 ]} El posicionamiento acústico se utilizó nuevamente en 1966, para ayudar en la búsqueda y posterior recuperación de una bomba nuclear perdida durante el accidente de un bombardero B-52 en el mar frente a la costa de España.

En la década de 1970, la exploración de petróleo y gas en aguas más profundas requirió una mayor precisión en el posicionamiento submarino para colocar las sarta de perforación en la posición exacta referenciada previamente mediante instrumentación sísmica ^{[ 18 ]} y para realizar otras tareas de construcción submarina.

La tecnología también se utilizó en otras aplicaciones. En 1998, la empresa de salvamento marítimo de Paul Tidwell, Cape Verde Explorations, dirigió una expedición al lugar del naufragio del submarino de carga japonés I-52 de la Segunda Guerra Mundial en el Atlántico medio. ^{[ 19 ]} Descansando a una profundidad de 5240 metros, había sido localizado e identificado en 1995 utilizando un sonar de barrido lateral y un trineo de remolque submarino. Los registros de la época de la guerra indicaban que el I-52 se dirigía a Alemania, con una carga que incluía 146 lingotes de oro en 49 cajas metálicas. La empresa de Tidwell había contratado el buque oceanográfico ruso Akademik Mstislav Keldysh con sus dos sumergibles tripulados de aguas profundas MIR-1 y MIR-2 . Para facilitar la navegación precisa a través del campo de escombros y asegurar una búsqueda exhaustiva, el MIR-1 desplegó una red de transpondedores de línea de base larga en la primera inmersión. A lo largo de una serie de siete inmersiones de cada sumergible, el campo de escombros fue buscado progresivamente. El registro de posicionamiento del LBL indicaba que la cobertura de búsqueda se ampliaba tras cada inmersión, lo que permitía al equipo concentrarse en áreas aún no exploradas durante la siguiente inmersión. No se encontró oro, pero el sistema de posicionamiento había documentado el alcance de la búsqueda.

En los últimos años, han surgido varias tendencias en el posicionamiento acústico subacuático. Una de ellas es la introducción de sistemas compuestos, como la combinación de LBL y USBL en una configuración denominada LUSBL ^{[ 20 ]} , para mejorar el rendimiento. Estos sistemas se utilizan generalmente en el sector de petróleo y gas en alta mar y otras aplicaciones de alta gama. Otra tendencia es la introducción de sistemas compactos y optimizados para tareas específicas, destinados a diversos fines especializados. Por ejemplo, el Departamento de Pesca y Caza de California encargó un sistema que mide continuamente el área de apertura y la geometría de una red de muestreo de peces durante el arrastre. Esta información ayuda al departamento a mejorar la precisión de sus evaluaciones de poblaciones de peces en el delta del río Sacramento .

Se han introducido dispositivos inteligentes resistentes al agua, como el Apple Watch Ultra y el Garmin Descent, para funcionar como ordenadores de buceo . Estos dispositivos cuentan con un sensor de profundidad , proporcionan un perfil de inmersión y alertas de seguridad para ascensos rápidos y paradas de descompresión utilizando los datos de profundidad. En 2023, investigadores de la Universidad de Washington demostraron una cuarta clase de posicionamiento subacuático 3D para estos dispositivos inteligentes que no requiere infraestructura de apoyo como boyas. ^{[ 21 ]} En su lugar, utilizan técnicas de localización distribuida ^{[ 22 ]} calculando las distancias entre pares de dispositivos de buceo para determinar la forma de la topología de red resultante. Combinando esto con los datos del sensor de profundidad de estos dispositivos, el buceador principal puede calcular las posiciones 3D relativas de todos los demás dispositivos de buceo.

• Safran Electronics & Defense Soluciones Navales
• IXBLUE Navegación y posicionamiento submarino Archivado el 2 de julio de 2015 en Wayback Machine
• GPS subacuático en ACSA GPS subacuático