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 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
turbulência12, 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.
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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...
