Posicionamento Dinâmico - Parte 5

4 – Sistemas de Referência de Posição e Equipamentos

4.1 - Geral

Informação de posição precisa, confiável e contínua é essencial para o posicionamento dinâmico. Um sistema de controle DP requer dados a uma taxa elevadíssima para conseguir uma acentuada precisão. Confiabilidade é de importância vital para operações onde a vida e o patrimônio pode ser posto a risco extremo através de um dado de posição incorreto¹⁰.

Todos os navios DP têm sistemas de referência de posição (PRS), (algumas vezes referidos como equipamento de monitoramento de posição ou PME), independente da classe de navegação normal do navio. Cinco tipos de PRS são de uso comum em navios DP atuais; Referência de Posicionamento Hidroacústico (Hydroacoustic Position Reference – HPR), Taut Wire, DGPS, sistemas baseado em Laser (Fanbeam e CyScan) e Artemis. Será dada uma descrição breve de cada um.

Os sistemas de controle de referência combinam os dados de posição de referência de dois ou mais sistemas de referência de posição. Se somente um sistema de referência de posição for disponível no DP então ele é simplesmente inspecionado, filtrado e utilizado. Se dois ou mais são disponíveis, então o sistema precisa utilizar ambos igualmente ou de acordo com seu desempenho individual.

Em todos os sistemas DP modernos a opção média ponderada pode ser selecionada, através da qual referências de posição individual são ponderadas em proporção inversa à variância ou ‘propagação’ de dados de posição; quanto maior o peso para um sistema de referência de posição individual, maior a influência do sistema no cálculo da posição.

Sistemas DP primitivo não tinham a capacidade de aprender com o desempenho passado. Sistemas modernos são capazes de melhorar o desempenho da estação com o uso de filtro Kalman, o qual fornece um modelo do desempenho recente para melhorar o desempenho presente.

Para quaisquer operações que requeiram redundância de DP (equipamento de operações Classe 2 ou 3) é necessário utilizar-se três referências de posição. Dois PRS não são adequados, por que se um falhar, os  dados de referência contraditório fornecem um impasse, enquanto três sistemas fornecem duas opções dentre três para identificar um sensor defeituoso.

Onde três PRS se façam necessários, o DPO deve escolher sistemas que sejam diferentes. Isto reduz a probabilidade de falha de modo comum, em que o evento pode resultar numa perda de posição.

Uma breve descrição será dada aos cinco sistemas de referência de posição  comumente utilizados.

Filtro de Kalman

Em 1960, Rudolph.E. Kalman publicou seu famoso paper que descreve uma solução recursiva para o problema de filtragem de dados discretos em um sistema linear. Dados alguns valores iniciais, pode-se predizer e ajustar os parâmetros do modelo através de cada nova medição, obtendo a estimativa do erro em cada atualização. A sua habilidade para incorporar os efeitos de erros e sua estrutura computacional fez com que o filtro de Kalman tivesse um amplo campo de aplicações, especialmente no que se refere à análise de trajetórias em visão computacional.

Os filtros de Kalman tem sido vitais na implementação de sistemas de navegação de submarinos e nos sistemas de guiamento e navegação de mísseis de cruzeiro como o Tomahawk da marinha americana, e o AGM-86 ALCM da força aérea americana. O filtro de Kalman também é utilizado no guiamento e navegação dos Ônibus Espacias da NASA e no controle de atitude da Estação Espacial Internacional.

Esse filtro digital é ocasionalmente chamado de filtro de Stratonovich–Kalman–Bucy por ser um caso particular de um filtro mais geral e não-linear desenvolvido pouco antes pelo matemático russo Ruslan L. Stratonovich.

4.2 - Referência de Posição Hidroacústica ( HPR )

A acústica submarina tem muitas aplicações, uma das quais é o fornecimento de posição de referência com propósitos DP¹³.

Posicionamento acústico também é utilizado para rastreamento de veículos ou equipamentos submarinos, para a marcação de características subaquáticas e para o controle de equipamentos submarinos por meio da telemetria acústica.

Existem três tipos de sistemas de referência de posição acústicos de uso comum – ultra- ou super-short baseline systems (USBL ou SSBL), short baseline systems (SBL) e long baseline systems (LBL). Cada um tem vantagens e desvantagens que determinam onde e como cada um é utilizado.

As classes são distintas pela sua linha base, ou distância entre seus elementos acústicos fixos.

Cada um destes sistemas é baseado na técnica de uso de um ou mais dispositivos acústicos fixos.

4.2.1 - Sistema Acústico Ultra ou Super Short-Baseline

O princípio SSBL (Super Short Base Line) é claramente o princípio mais simples de posicionamento subaquático em operação. A Linha de Base de Dados do Super Short-Baseline refere-se à distância muito curta entre os elementos piezo-elétricos ativos no transdutor, que são montados no fundo do barco.

O princípio SSBL tem a vantagem de não requerer instalação de transponderes calibrados em disposição lógica no fundo do mar. Apenas os alvos que devem ser posicionados (um pode muito bem estar no fundo do mar) são equipados com um transponder. O sistema SSBL mede os ângulos horizontais e verticais, juntamente com o intervalo para o transponder, dando uma projeção 3D do fundo em relação ao navio (ponto de referência no navio). Para obter melhor precisão de posição em águas profundas com um sistema de SSBL é necessário aumentar a precisão de medição do ângulo.

O princípio de medição de posição envolve a comunicação a freqüências hidrostáticas entre um transdutor montado no casco do navio e um ou mais transponders localizados no leito.

Um pulso de interrogação é transmitido a partir do transdutor. Este pulso é recebido pelo transponder no leito do mar, que é acionado para responder. A resposta transmitida é recebida no transdutor. O atraso no tempo transmissão/recepção é proporcional à inclinação e alcance. Assim, alcance e direção são determinados. Os ângulos e alcance definem a posição do navio com relação à do transponder. Os ângulos medidos devem ser compensados os valores de roll e pitch.

O navio deve implantar pelo menos um transponder alimentado por bateria. Eles podem ser implantados por uma linha desde o navio, por um ROV ou simplesmente lançados ao mar.

O desempenho de um sistema acústico é normalmente limitado por condições acústicas na água. Barulho dos propulsores do navio e outras fontes, aeração e turbulência^12, 13 serão todas prejudiciais à eficiência do posicionaento acústico. Assim, os limites do sistema são mal definidos.

Sistemas acústicos são fornecidos por vários fabricantes, principalmente Kongsberg, Simrad, Sonardyne e Nautronix. Todos utilizam freqüência na faixa de 20-30 kHz. Alguns transponders são compatíveis com aparelhos de mais de um fornecedor.

Aplicação O dispositivo transceptor também conhecido com hidrofone montado sob e.g. um navio torna possível controlar e posicionar alvos submersos como objetos rebocados, ROV’s etc a partir de uma plataforma dinâmica. Contrário aos sistemas LBL que estão limitados a um conjunto calibrado depositado no fundo do mar, o uso de sistemas USBL não é limitado a tal área. Os cálculos de posição são feitos pela medida de ângulos vertical e horizontal, por medidas de fase de sinal em conjunto com intervalos medidos para o(s) transponder(s) fornecendo um posicionamento 3D do alvo(s) em relação ao hidrofone. Uma vez que o Hydrofone (e procede à montagem do transceptor) pode ser montado em uma plataforma dinâmica, as medições das balizas dos transponders ligadas ao alvo(s) devem ser externamente ou internamente corrigido para os parâmetros heading, roll e pitch com muita precisão.

Um sistema USBL completo consiste de um transceptor o qual é montado em um pólo sob um navio, e um transponder/responder no leito do mar, num towfish ou em um ROV. Um computador é utilizado para calcular uma posição a partir das informações de alcance medidas pelo transceptor.

Um pulso acústico é transmitido pelo transceptor e detectado pelo transponder subaquático, o qual responde com seu próprio pulso acústico. O pulso de retorno é detectado pelo transceptor a bordo. O tempo entre a transmissão do pulso acústico inicial até a resposta é detectado e medido pelo sistema USBL e é então convertido em alcance.

Para calcular uma posição submarina, o USBL calcula tanto o alcance quanto um ângulo a partir do transceptor até o conjunto submarino. Ângulos são medidos pelo transceptor, o qual contém um conjunto de transdutores. A cabeça do transceptor normalmente contém três ou mais transdutores separados por uma linha base de 10 cm ou menos. Um método chamado diferença de fase (phase-differencing) dentro deste conjunto transdutor é utilizado para calcular o ângulo para o transponder submarino.

4.2.2 – Long Baseline System

O sistema de posicionamento long baseline (LBL) fornece posicicionamento acústico preciso sobre uma grande área. Os sistemas LBL são utilizados para marcar múltiplos alvos em relação a um conjuno fixo de transponders submarinos ancorados ao fundo mar. Aplicações típicas para sistemas LBL incluem: sistemas de posicionamento dinâmico (DP) para posicionar múltiplos alvos offshore, como sondas de petróleo, grandes navios, em águas com profundidade de até 7000m; e marcação de veículos submarinos autônomo (AUVs) e veículos operados remotamente (ROVs).

As técnicas LBL resultam numa precisão muito elevada de posicionamento e estabilidade de posição que é independente da profundidade da água. Normalmente é melhor que 1-metro e pode  alcançar até alguns centímetros de precisão. Os sistemas LBL são geralmente empregados em trabalhos de pesquisa submarina de precisão onde a precisão ou estabilidade de posição dos sistemas do navio base SBL, USBL) não seja suficiente.

Os sistemas LBL são compostos de dois tipos de componentes: transceptores móveis e transponders fixos. Um transceptor é um dispositivo montado em cada alvo marcado e pode tanto transmitir quanto receber sinais acústicos. Um transponder é um dispositivo auto-contido ancorado em um local submarino e responde a uma interrogação acústica com uma resposta acústica. A figura abaixo mostra um sistema LBL utilizado para marcar a posição relativa de uma plataforma petrolífera sobre o mar. O transceptor é montado na plataforma, enquanto os transponders, com as denominações que vão de T1 a T4, são ancorados abaixo. Sistemas LBL são os únicos que usam dispositivos transponders de linha de base montados no leito como ponto de referência para navegação.  Para o posicionamento LBL, um mínimo de três transponders são ancorados em locais submarinos separados por uma distância de até vários quilômetros.

Arte gráfica mostrando um sistema de posicionamento submarino do tipo long baseline utilizado para monitorar a localização de uma plataforma petrolífera.

Sistemas long baseline usam a distância calculada entre o alvo e cada um dos transponders ancorados. O transceptor do alvo inicia o processo de marcação com a emissão de um sinal acústico. Cada um dos transponders submarinos recebem este sinal e os respondem com um sinal acústico. O transceptor recebe a resposta acústica dos transponders e mede o tempo transcorrido entre o início da transmissão do sinal acústico e o recebimento da resposta de cada um dos transponders.

As vantagens e desvantagens dos sistemas LBL são resumidas na tabela abaixo:

Mais aplicações do sistema LBL

Sistemas long baseline determinam a posição de um veículo ou do mergulhador medindo acusticamente a distância entre a interrogação do veículo ou mergulhador e três ou mais transponder implantados no fundo do mar. Estas gamas de medidas, que normalmente são completada por dados de  profundidade de sensores de pressão sobre os dispositivos, são então utilizados para triangular a posição do veículo ou mergulhador. Na figura acima, um interrogador montado com o mergulhador (A) envia um sinal, o qual é capturado pelos transponders da linha base (B, C, D). Os transponders respondem e as respostas são capturadas de volta pela estação do mergulhador (A). Medições no tempo de envio do sinal agora produzem as distâncias AB, AC e AD, que são usados para calcular a posição do mergulhador por triangulação ou algorítimos de busca de posição em E. As posições resultantes são relativas à localização dos transdutores de linha de base. Estes podem ser facilmente convertidos para um sistema de coordenadas de georeferenciamento como a latitude/longitude ou UTM se as geoposições das estações base tiverem sido previamente estabelecidas, pra isso, esta matriz de transponderes precisa ser calibrada, ou seja, todos os intervalos entre eles precisam ser medidos.

Uma equipe de mergulho (Envirotech Diving) com seu sistema de posicionamento acústico subaquático AquaMap LBL incluindo três transponders de linha de base (B) e estações de mergulho (A) montados em scooters. As estações base são inicialmente implantadas nos cantos do local de trabalho. Suas posições relativas iniciais são pesquisadas por GPS diferencial ou com auxílio de um equipamento de posicionamento laser. Durante um mergulho, a estação do mergulhador interroga as estações de base para medir as distâncias, as quais são então convertidas em posições.

Outra aplicação:

Esboço do sistema LBL

O sistema long baseline utiliza uma matriz de três ou mais transponders dispostos no leito do mar nas proximidades do local de trabalho. Tipicamente a matriz formará um pentágono (5 transponders) no leito do mar, com o navio de perfuração no centro acima. Um transdutor de cima do navio interroga a matriz de transponders, mas ao invés de medir o alcance e a informação angular, somente alcances são medidos, porque as distâncias das linhas de base já foram calibradas (distâncias entre transponders). A posição de referência é obtida a partir da geometria dos alcances entre si desde as localizações dos transponders. A calibração é feita deixando que cada transponder interrogue todos demais na matriz, por sua vez. Se, ao mesmo tempo, o navio possuir um DGPS ou outros sistema geograficamente referenciado, então a matriz de transponder pode também ser geograficamente calibrada. A precisão é da ordem de alguns poucos metros, mas a taxa de atualização pode ser lenta em água profunda porque a velocidade do som na água é de cerca de 1,500 m/seg.

Continua no próximo blog...