BRPI0208289B1 - sistema para posicionar pelo menos um navio ou objeto em um ambiente aquático - Google Patents

Abstract

"sistema para posicionar pelo menos um navio ou objeto em um ambiente aquático". um sistema para posicionar pelo menos um navio (5) ou objeto em um ambiente aquático, incluindo: cada navio (5) ou objeto tendo um receptor (4) conectado a ele; e pelo menos dois transmissores (1); em que cada transmissor transmite um sinal único e o receptor (4) em cada navio ou objeto recebe cada sinal único e um meio de cálculo determina a posição do navio (5) ou objeto baseado nos sinais recebidos.

Description

"SISTEMA PARA POSICIONAR PELO MENOS UM NAVIO OU OBJETO EM UM AMBIENTE AQUÁTICO" CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção relaciona-se a um sistema de posicionamento aquático, que habilita a posicionamento e/ou navegação de navios e/ou objetos subaquáticos ou na superfície de um corpo de água. Mais particularmente, a presente invenção relaciona-se a um sistema de posicionamento e navegação para o campo de posicionamento acústico e navegação subaquática e de Superfície, e é de benefício particular para indústrias de petróleo, gás e construção subaquáticas.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO [002] O posicionamento e localização de navios ou objetos em um ambiente aquático são um requisito necessário em muitas indústrias. Porém, sistemas de posicionamento e navegação acústicos subaquáticos e de superfície existentes têm vários problemas, incluindo: [003] Só sistemas de posicionamento de navio/usuário únicos. Quer dizer, sistemas de rastreamento acústicos existentes são de usuário único, e, por conseguinte cada usuário tem seu próprio conjunto de balizas subaquáticas. [004] 2. Poluição acústica subaquática, causando interferência com animais de vida oceânica (por exemplo, baleias) e outros sistemas acústicos. Sistemas de rastreamento acústicos existentes usam sinalização de silvo ou chilro semelhante aos sinais acústicos usados por animais de vida oceânica. Assim, de uma visão de sistema, ruído biológico pode interferir com sistemas de rastreamento, e ademais múltiplos sistemas de rastreamento acústicos podem interferir entre si. [005] 3. Alcance limitado de cobertura - devido às propriedades físicas de água profunda sobre sinais acústicos interferindo com o sinal transmitido (por exemplo, curvatura de raio, dispersão de sinal, ruído de navios, etc.). [006] 4. A necessidade, tempo e custo para desenvolver novamente os componentes de fundo de mar (balizas) para cada local de perfuração ou construção. Como notado acima, sistemas de rastreamento acústicos existentes são de usuário único e cobrem uma área relativamente pequena de aproximadamente um quilômetro quadrado. Os usuários são requeridos desmobilizarem sua própria infraestrutura subaquática quando operações se movem para fora dos limites de rastreamento, que é um processo caro. [007] Sistemas atualmente disponíveis sendo usados na indústria de petróleo e gás e construção subaquática não tratam os problemas listados acima, e de fato mais provavelmente, contribuem para a poluição acústica subaquática. [008] Um sistema de exemplo atualmente usado no posicionamento de navios é o sistema de linha base longa. Sistemas de Linha Base Longa (LBL) existentes usam múltiplas balizas para formar até uma linha base de 1 km. O usuário se posiciona relativo à linha base. A posição das balizas deve ser determinada e a calibração de posição é executada navegando ao redor de uma baliza, e rastreando alcance da baliza relativo à posição de sistema de posicionamento global diferencial (DGPS). Os dados são então pós-processados para determinar a posição de baliza. [009] Este sistema tem sido a melhor tentativa conhecida atualmente para atacar parte do problema identificado. Porém, desenvolver numerosos componentes de fundo de mar (digamos 80) ao longo do caminho de uma área de operação ainda tem sido para uso de navio único, tem custo de desenvolvimento significante e adicionou ao problema de poluição acústica. [010] Comunicação usando sinalização de espectro espalhado digital (DSS) também foi usada nesta indústria para várias aplicações, porém o alcance e confiabilidade destes sistemas não têm podido mais satisfazer o problema global. [011] Esta combinação de problemas tem sido difícil de resolver devido às técnicas de sinalização conhecidas (meios para transmitir ondas acústicas) sendo incapazes de prover um meio para comunicar através de longas distâncias subaquáticas (>2 km) com o nível requerido de confiabilidade e consumo de energia.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [012] É, portanto, um objetivo da presente invenção prover um sistema para o posicionamento de navios e objetos em um ambiente aquático. Mais especificamente, a presente invenção busca prover um sistema que permita vários navios e objetos serem localizados e posicionados dentro de um ambiente aquático relativamente grande sem significativamente combinar problemas associados com poluição acústica.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [013] Com os objetivos acima em mente, a presente invenção provê um sistema para posicionar pelo menos um navio ou objeto em um ambiente aquático, incluindo: [014] cada navio ou objeto tendo um receptor passivo respectivo conectado a ele; [015] pelo menos dois transmissores localizados abaixo da superfície de dito ambiente aquático e elevado acima do fundo de dito ambiente aquático; e [016] meio de localização para determinar a posição de cada dito transmissor; [017] em que cada transmissor transmite um sinal que unicamente identifica cada transmissor e é transmitido independente de um sinal de comando ou de interrogação, e o receptor em cada navio ou objeto recebe cada sinal e um meio de cálculo determina a posição do navio ou objeto baseado nos sinais recebidos. [018] O sistema pode ser configurado tal que os transmissores transmitam seus sinais em tempos predeterminados. Cada transmissor pode ser formado em um alojamento ou estação localizada no leito ou fundo do oceano do corpo de água no qual o sistema está instalado. Idealmente, o alojamento incluirá um meio para flutuar ou suspender o transmissor acima do leito do oceano. Na concretização preferida, um meio também é incluído para determinar a posição do transmissor em relação ao alojamento. Isto pode incluir um transmissor localizado na unidade de transmissor, e hidrofones posicionados no alojamento para habilitar cálculo de posição da unidade de transmissor. Idealmente, os transmissores também serão capazes de se autocalibrar com respeito cada outro transmissor. A fim de sincronizar sinais de relógio, cada transmissor pode ser configurado para regularmente suspender transmissão de seu próprio sinal, e receber os sinais transmitidos de transmissores vizinhos. [019] Os receptores podem ser presos a navios tanto no topo do corpo de água ou localizados subaquáticos. Ademais, o receptor pode ser preso diretamente ao navio ou objeto, ou alternativamente pode ser suspenso do navio ou objeto. Idealmente, o receptor deveria ser configurado para minimizar interferência de qualquer ruído emanando do navio ou objeto ao qual o receptor está conectado. [020] Estes e outros objetivos, aspectos, vantagens e características da presente invenção serão mais completamente entendidos e apreciados na consideração da descrição detalhada seguinte de uma concretização preferida, apresentada junto com os desenhos acompanhantes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [021] Figura 1 mostra uma possível aplicação da estação subaquática de acordo com a presente invenção. [022] Figura 2 mostra o efeito de curvatura de raio sobre uma aplicação da presente invenção. [023] Figura 3 mostra um arranjo prático de estações com posicionamento de estação irregular. [024] Figura 4 mostra uma possível disposição de grade com posicionamento de estação regular (hexagonal). [025] Figura 5 mostra uma configuração básica de uma concretização da estação subaquática. [026] Figura 6 mostra um possível arranjo de receptor. [027] Figura 7 mostra um diagrama de bloco de receptor da concretização preferida. [028] Figura 8 mostra um diagrama de bloco de uma concretização da estação subaquática. [029] Figura 9 mostra um diagrama de bloco do alojamento de eletrônica de estação e sub-montagens.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA CONCRETIZAÇÃO PREFERIDA [030] O pedido descreveu uma estação subaquática em Pedido de Patente Australiano co-pendente, enquanto reivindicando prioridade de Número Provisório Australiano PR7029, o conteúdo de qual está exposto aqui por meio de referência. [031] Na concretização preferida da presente invenção, o sistema incluirá dois componentes principais, a saber: [032] 1. Estação - Idealmente, as estações (1) transmitirão um sinal de DSS e usarão técnicas de comunicação de inter-estação para trazer todos os relógios em sincronização. [033] 2. Receptor Passivo - Preferivelmente, o receptor (4) captará os sinais das estações (1) e calculará sua própria posição baseado na comparação entre o tempo de chegada de todas as várias estações (1) e usando informação embutida no sinal relativa à estação (1). [034] Na prática, o sistema também idealmente incluiría um terceiro componente, a saber: [035] 3. Interface de Usuário Gráfica (GUI) - A unidade de controle de exibição (DCU) (18) proverá o operador com uma exibição tendo a solução de posição, monitoração de desempenho e dados de controle de qualidade. [036] A ideia fundamental do sistema é assentar uma grade (9) (Figura 3) de estações de transmissão ativas (1) no fundo de mar. Cada estação (1) pode ser um componente submarino único tendo um hidrofone de transmissão (16), módulos de bateria (13) (veja Figura 5) e equipamento relacionado. As estações (1) transmitem um sinal de DSS e usam técnicas de comunicação de interestação para trazer todos os relógios em sincronização. O receptor (4) então adquire os sinais e calcula sua própria posição baseado na comparação entre o tempo de chegada de sinais de todas as várias estações (1) e onde aplicável, usando informação embutida nos sinais relativa à localização de estações (1). [037] A grade (9) pode ser desenvolvida permanentemente e compartilhada entre múltiplos usuários. Pode ser disposta no fundo de oceano em uma área de interesse para todas as partes e deixada lá, de forma que nenhuma calibração manual adicional das balizas seja requerida. Semelhantemente, um novo usuário não teria que desenvolver balizas adicionais através da rede existente. [038] Idealmente, a estação (1) não deveria ser empregada em vales ou onde objetos subaquáticos obstruem o sinal acústico. As estações (1) deveríam ser empregadas onde o campo de visão é maximizado. O espaçamento de estação (1) pode ser influenciado por poluição acústica, e a fonte dominante de poluição acústica são navios de superfície (5). Será entendido que o sistema só operará quando o sinal recebido mais o ganho de processamento for mais alto do que o navio de superfície (5). Para navios muito ruidosos (5), a potência de saída da estação (1) pode ser aumentada, que descarrega os módulos de bateria de estação (13) a uma taxa mais alta e consequentemente encurta a vida de estação (1). Alternativamente, se a área de operação for menos de 10 km2, então o espaçamento de estação pode ser reduzido, assim aumentando a potência do sinal recebido. [039] A grade (9) é capaz de crescimento orgânico. Quer dizer, qualquer número de estações adicionais (1) pode ser acrescentado à grade (9). Uma vez que uma nova estação (1) tenha sido desenvolvida, processamento de dados normal, operações de posicionamento ou de inspeção podem acontecer imediatamente sobre a vizinhança da nova estação (1). [040] A disposição de grade (9), em uma situação ideal, pode formar uma grade hexagonal (9) (Figura 4) com aproximadamente 7 a 8 km entre cada estação (1), com a habilidade para posicionar fora desta área com seis estações provendo cobertura de aproximadamente 100 km2. Células de grade (9) podem ser maiores, dependentes do perfil de velocidade de som da área. Alternativamente, grades (9) triangulares, octogonais ou em forma de diamante podem ser desenvolvidas. Em um arranjo de grade em forma de diamante, os pontos do diamante estão no meio de cada lado de um quadrado. Uma distância total de 15 km de estação (1) a receptor (4) (alcance inclinado) é o máximo preferido e, dependendo de condições locais, o alcance inclinado pode ser tão baixo quanto 3 km. Expandindo a grade (9) pode cobrir uma área arbitrariamente grande, cada uma das estações adicionais (1) seria colocada dentro de aproximadamente 8 km da rede existente até que o limite de códigos de estação distinta disponível (1) seja alcançado. Como pode ser visto na Figura 3, a grade (9) não precisa expandir simetricamente, mas em lugar disso, pode ser projetada para se ajustar ao ambiente ou área a ser coberta. [041] O espaçamento mínimo de estação (1) deveria ser idealmente não menos que a profundidade de água a fim de maximizar a precisão do sistema de linha base longa. Por exemplo, se a profundidade de água for 3,5km, então o espaçamento mínimo de estação (1) deveria ser não menos de 3,5 km (12 km2). Para economicamente desenvolver o sistema, o espaçamento de estação (1) deveria ser tão grande quanto possível. Idealmente, a estação será espaçada pelo menos 2 km à parte. Um sistema preferido foi projetado para espaçamento de estação (1) de 8 km em um padrão de grade hexagonal (9) (104 km2). Para construção subaquática de alta precisão, o sistema pode desenvolver uma pequena grade (9) com espaçamento de estação 0,5 km ao redor do local de construção. [042] Preferivelmente, o sistema será construído com redundância de estação (1) ao longo da grade (9) para assegurar que qualquer uma entre quatro estações (1) possa cessar transmissão sem impacto em desempenho. Redundância será idealmente incluída no projeto para assegurar que o sistema seja capaz de tempo de operação máximo. Até mesmo durante a remoção ou adição de uma estação (1), a grade (9) idealmente permanecerá operacional. Ademais, operadores idealmente serão capazes de monitorar a operação da grade (9) por uma DCU (18) do usuário, que também relataria falhas operacionais nas estações (1). [043] O sistema idealmente será projetado para operar interferência de outras fontes acústicas usando técnicas de modulação de código único. A codificação de DSS de sistema é projetada para maximizar imunidade a ruído. O sistema de codificação também é otimizado para prover máxima imunidade de outras estações (1). Quer dizer, o receptor (4) pode receber múltiplos sinais de estação (1) simultaneamente, e sinais de sistema simultâneos não interferem entre si. [044] Finalmente, o sistema deveria reduzir o problema de poluição acústica que atualmente existe em áreas ativas. [045] Em um arranjo básico, o sistema pode ser configurado com só duas estações (1) para prover uma estimativa aproximada de posição de navios (5). Uma vez que um receptor (4) se localizou dentro de uma cela ou grade (9), então dois ou mais sinais de estações (1) são requeridos para uma posição. Enquanto duas estações (1) provêem precisão de posição mínima, estações adicionais (1) podem melhorar esta precisão. [046] O sistema da concretização preferida usa um mínimo de seis estações (1) arranjadas em uma grade hexagonal (9) de 110 km2. A fim de cobrir uma área mais ampla, o padrão de grade (9) pode ser repetido usando até trinta e duas estações (1) dentro de uma única área. Figura 4 mostra uma disposição de estação (1) típica que usa vinte e quatro estações (1) para cobrir uma área de 920 km2. Em um arranjo alternativo, uma grade quadrada (9) ou um padrão de grade (9) irregular (Figura 3) pode ser empregado, dependendo da topografia do leito oceânico e das condições ambientais da área. [047] Quando as estações (1) são posicionadas primeiro, a posição das estações (1) pode ser calibrada usando uma técnica de calibração do tipo box-in calculation. O navio de posicionamento viaja ao redor da localização aproximada da estação (1) adquirindo dados de alcance. Quando todos os dados de alcance estão disponíveis, um algoritmo de mínimos quadrados pode ser usado para calcular a posição de cada uma das estações (1) dentro da grade (9). [048] As comunicações de telemetria acústica entre uma estação (1) e o navio (5) podem ser retransmitidas por uma ou mais outras estações (1). A posição calibrada final de cada uma das estações (1) pode ser carregada por telemetria acústica à estação atual (1). Quando um receptor (4) primeiro se move a uma nova área, ele pode pedir dados de calibração para cada uma das estações (1) dentro daquela área. [049] As estações (1) idealmente serão configuradas para transmitir sinais relativos ao seu próprio relógio interno. As estações (1) do sistema preferido usam osciladores de precisão, de forma que a taxa de desvio relativa dos relógios dentro de estações (1) diferentes seja baixa. Até mesmo com o uso de osciladores de precisão, ainda pode ser necessário calibrar o tempo relativo entre cada uma das estações (1). [050] Se este for o caso, então a intervalos regulares, uma estação (1) pode cessar transmissão e em vez disso receberá o sinal sendo transmitido por uma das estações (1) circunvizinhas. Ela medirá o tempo de chegada do sinal na estação (1) relativo a seu próprio relógio interno. Estes dados de calibração são então enviados aos receptores (4) dentro da área, que usarão a correção como parte da solução de posição de receptor (4). A perda de uma transmissão única ocasional de uma estação (1) não terá nenhum efeito no desempenho de sistema global. Alternativamente, se hidrofones de transmissão ativos, então a um intervalo prederminado, uma estação (1) pode interrogar outras estações (1) a fim de calibrar sua posição. As estações (1) também podem interrogar cada outra a intervalos regulares para determinar a diferença entre os relógios de estação (1). O receptor (4) é requerido interrogar as estações (1) para determinar a diferença de tempo entre os relógios de estação (1) e receptor (4). Isto pode ocorrer uma vez a cada uma a duas horas. [051] As estações (1) podem ser consideradas transmissores que são localizados semi-permanentes no leito oceânico, em um padrão projetado para maximizar o número de estações (1) que cada receptor (4) pode receber sem desenvolver mais estações (1) do que necessário. [052] A eletrônica de estação idealmente inclui várias submontagens montadas em um alojamento (25) (Figura9) projetado para resistir a pressões extremamente altas. As submontagens podem incluir: i) Controlador principal (31) e gerador de sinal (30) ii) Processador e detector de sinal (33) iii) Conversor de CC para CC de alta tensão (27) iv) Amplificador de classe D de alta potência (28) v) Condicionador de transdutor (29) vi) Gerenciador de bateria (26) vii) Controlador de rastreamento de cabeça fendida (32) [053] O controlador principal (31) supervisiona a operação da estação inteira (1). É responsável por gerar toda a temporização interna de precisão e decodificar todas as mensagens da unidade de processamento e detector de sinalização de DDS. O sinal gerado pelo controlador principal (31) é amplificado pelo amplificador de classe D (28) e então pelo condicionador de transdutor (29) ao próprio hidrofone de transmissão (16). O amplificador de classe D (28) é energizado de uma alta tensão gerada do conversor de CC (27). Um processador e detector de sinal (33) é responsável por detectar um sinal DSS de entrada e então extrair informação adicional codificada dentro do sinal para processamento pelo controlador principal (31). [054] Há duas montagens internas adicionais: [055] A primeira é o circuito de gerenciamento de bateria (26), que assegura que a energia máxima possa ser extraída dos módulos de bateria (13). Também monitora condições de falha em qualquer dos módulos de bateria (13) e atua para minimizar a quantidade de tempo que a estação (1) não está transmitindo. Informação de falha também é retransmitida por ligação de telemetria a qualquer navio de superfície (5) para ação corretiva. [056] A segunda montagem extra é controlador de rastreamento de cabeça fendida (32), que calcula a posição de hidrofones de transmissão (14) com respeito à estação (1). [057] Cada estação (1) transmite um sinal de DSS unicamente codificado a um intervalo regular. O sistema idealmente usa um sistema de codificação que permite a recepção simultânea de sinais múltiplos, (por exemplo, até 16 estações). O sistema de codificação também deveria prover imunidade a ruído de fontes de interferência como navios ruidosos ou outros sistemas de rastreamento acústicos. [058] As profundidades às quais as estações (1) são posicionadas podem variar consideravelmente, como a topologia do fundo de oceano. O perfil de velocidade de som pode fazer o sinal de uma estação (1) se refratar em direção á superfície. Este fenômeno conhecido como "curvatura de raio" também resulta nos sinais perto do fundo do mar serem dirigidos no solo devido a elementos naturais, tais como temperatura, salinidade e gradientes de condutividade (veja Figura 2). O efeito de curvatura de raio acústico aumenta com profundidade de água. O sistema preferido usa um espaçamento de estação (1) de 8 km, que requer o sinal acústico se propagar horizontalmente. Por causa do efeito de curvatura de raio em água profunda, se uma estação (1) transmitir um sinal acústico do fundo do oceano, então o sinal acústico horizontal será refratado no solo e um navio de superfície (5) 8 km afastado não receberá o sinal acústico. Para evitar este problema e permitir comunicação de inter-estação, o hidrofone de transmissão (16) pode ser flutuado fora do fundo oceânico por até 250 m, embora comprimentos maiores possam ser acomodados, se necessário. Quer dizer, os elementos de hidrofone de transmissão (16) são preferivelmente elevados acima do fundo do mar em Módulos de Cabeça Fendida (SHM) (2). O SFIM (2) inclui um módulo de flutuação (15) que leva o hidrofone de transmissão principal (16) acima da estação (1). O SFIM (2) está conectado à estação (1) por um cabo de elevador elétrico (10). Como uma alternativa, em lugar de flutuar o transmissor, o transmissor pode ser fixador ou suportado a uma altura predeterminada acima do fundo do mar. [059] O SFIM (2) supera problemas de curvatura de raio transmitindo o sinal acústico várias centenas de metros acima da estação (1). [060] O sinal acústico é retratado abaixo, mas eventualmente se retratará até que seja recebido por um navio de superfície (5). [061] Geralmente falando, a altura do SHM (2) acima da estação (1) deve ser aumentada como uma função de profundidade de água. Porém, desde que a estação (1) rastreia o SHM (2), a altura deveria ser mantida a um mínimo. [062] Seguindo o posicionamento das estações (1), os SHMs (2) podem ser posicionados. O tempo de posicionamento dos SHMs (2) pode ser configurável. O SHM (2) da concretização preferida terá flutuabilidade positiva por um cabo de elevador (10). [063] Durante o posicionamento da estação (1), o SHM (2) pode ser montado na estação (1). Quando a estação (1) está no leito oceânico, um comando acústico pode então ser enviado à estação (1) para liberar o SHM (2) que permitirá o SHM (2) flutuar na ponta de se cabo de elevador (10) a uma profundidade predeterminada. [064] A quantidade de flutuação em cada um dos SHMs (2) pode ser ajustável e a quantidade do cabo de elevador (10) de SHM (2) posicionado também pode ser ajustável. [065] A estação (1) também pode incluir um componente de chassi (3) que é um sistema mecânico que transporta, aloja e porta os circuitos eletrônicos da estação (1). O SHM (2) pode se mover, assim é necessário rastrear sua posição relativa à estação (1). Quer dizer, para maximizar a precisão de rastreamento do sistema, SHM (2) deveria ser rastreado pela estação (1). Isto determinará sua posição relativa à posição de estação (1) média. A fim de rastrear a posição do SHM (2), no sistema preferido, um controlador de rastreamento de cabeça fendida (32) em uma concretização também é instalado no chassi (3), de forma que a posição exata do SHM (2) possa ser fatorada em cálculos de alcance. O controlador de rastreamento de cabeça fendida (32) uma um hidrofone de transmissão (14) montado no SHM (2) e quatro hidrofones de recepção (12) montados na estação (1). Os quatro hidrofones de recepção (12) pode ser montados nos cantos extremos do chassi (3) para maximizar os ângulos vistos pelos hidrofones de recepção (12) para cálculos de posição e para redundância (veja figura 8). [066] O Sistema de Rastreamento de Cabeça Fendida (SHTS) idealmente incluirá um hidrofone de transmissão (14) em cada um dos SHMs (2), os quatro hidrofones de recepção (12) montados no chassi (3) e o controlador de rastreamento de cabeça fendida (32). Os hidrofones de recepção (12) deveríam ser montados a pontos para prover uma visão dos SHMs (2) acima, e a pontos tão longe quanto possível separados no chassi (3). O sistema de rastreamento de cabeça fendida triangula o sinal de hidrofone de transmissão (14) (veja Figura 5) para prover uma solução para a posição do SHM (2) para controlador de rastreamento de cabeça fendida (32). O sistema de rastreamento pode usar técnicas de Linha Base Curta de alta frequência (SBL) para precisamente rastrear a posição do hidrofone de transmissão (14) relativo à estação (1) . O posicionamento também pode ser corrigido para a arfada, balanço e rumo da estação (1) pelo sensor de rumo e inclinação (35), para dar uma posição absoluta do SHM (2).

[067] Quando é necessário recuperar a estação (1), o SHM (2) pode ser danificado durante a fase de recuperação. Para evitar isto, um comando acústico pode ser enviado à estação (1) para liberar o cabo de elevador (10) para permiti-lo flutuar livremente à superfície para recuperação separada. Alternativamente, o cabo de elevador (10) pode ser retraído para armazenar o SHM (2) seguramente antes de recuperação da estação (1). [068] A estação (1) pode ser provida com um grande número de módulos de bateria de externos (13) para energizar os transmissores. Os módulos de bateria (13) podem conter tanto baterias alcalinas ou de lítio (ou outras fontes de energia). Cada módulo de bateria (13) pode incorporar tecnologia de bateria inteligente, de forma que o módulo de bateria (13) possa monitorar se próprio consumo de energia e vida esperada. Os módulos de bateria (13) podem ser capazes de desligar o suprimento de um a um controlador particular, se seu consumo de energia for alto demais. [069] Os sinais dos quatro hidrofones de recepção (12) do sistema de rastreamento de cabeça fendida poderíam ser ligados por fios em paralelo com o controlador principal (31). Esta estrutura é redundante porque só três hidrofones de recepção (12) são precisados a fim de medir a posição do hidrofone de transmissão (16). Enquanto possível, não é prático ter dois conjuntos separados de módulos de bateria (13), portanto os módulos de bateria (13) são ligados por fios individualmente ao controlador principal (31). Cada módulo de bateria (13) pode ser provido com inteligência interna, que permitirá ao módulo de bateria (13) monitorar o consumo de energia dos módulos de bateria (13) e desconectar a energia se o consumo de energia for alto demais. Módulos de bateria (13) podem ser encadeados em forma de margarida em pequenos grupos. Se um cabo de energia (40) provoca um curto-circuito (veja Figura 5), então o grupo ou módulo de bateria individual(13) é colocado fora de linha. Os módulos de bateria (13) também podem monitorar condições de curto circuito ou sobrecarga. Se o curto-circuito ou sobrecarga for removido então o módulo de bateria (13) se colocará de volta em linha. [070] A estação é projetada para ser posicionada fora da parte de trás de um navio de suprimento oceânico (5) e afundada até ao fundo oceânico. A concretização atual é projetada para operar a uma profundidade máxima de 3.500 metros, que pode ser expandida se requerido. O exterior de estação (1) precisará ser projetado com uma visão em mente para resistir a rigores cotidianos de batidas, colisões, salinidade, pressão externa, temperaturas, crescimento de algas e coral, etc., de ambiente industrial oceânico. [071] O receptor (4) pode ser instalado sobre um barco ou outro navio e também precisará resistir às condições operacionais e requisitos da indústria. Estes incluem uso operacional cotidiano, batidas, colisões, derramamentos de líquido, salinidade, etc. O receptor (4) idealmente incluirá os componentes seguintes: o Arranjo de Receptor de Hidrofone (47) o Módulo de Conversor Analógico para Digital (ADC) e Conversor Digital para Analógico (DAC) (41) o Formador de Feixe (20) o Processador(42) o Unidade de Controle de Exibição (DCU) (18) o Amplificador de Potência (46) o Hidrofone de Transmissão (48) o Modem de Acesso Remoto (43) o Sensor Inercial (45) o Cabo de Potência de Arranjo (21) [072] Os sinais do arranjo de receptor de hidrofone (47) são alimentados a um módulo de conversor de ADCDAC de multicanal (41), que digitaliza o sinal recebido (veja Figura 7). Para minimizar a quantidade de ruído recebido gerado pelo navio, os sinais digitais são então processados pelo formador de feixe (20). O sinal limpo é então enviado pelo processador (42) para ser exibido na DCU (18) mostrando a localização de objetos ao usuário. Se o requisito de usuário for enviar sinais do navio (5) à estação (1), esses sinais são então gerados no processador (42), passados pelo amplificador de potência (46) e cabo de potência de arranjo (21) ao hidrofone de transmissão (48), que então envia esses sinais pela água (veja Figura 6). [073] Um modem de acesso remoto (43) é provido ao processador, de forma que os dados de calibração ou outra informação possa ser transferida a outros navios ou operadores, como requerido. Um sensor inercial (45) também é provido ao processador (42) para permitir correções serem feitas para o movimento cíclico do navio (5) devido às condições ambientais locais. [074] A fim de posicionar um navio (5), veículo remotamente operado (ROV) (6) ou veículo subaquático autônomo (AUV) (7) dentro da grade, é provido com um receptor (4) contendo um arranjo de receptor de hidrofone (47) e um cabo de potência de arranjo (21). Os sinais de pelo menos três das estações (1) devem ser detectados neste arranjo de receptor de hidrofone (47) a fim de calcular precisamente a posição do receptor (4). Em modo de rastreamento normal, o receptor (4) só escuta sinais sendo enviados das estações (1), assim um número ilimitado de receptores (4) pode operar dentro da grade (9). Se redundância for requerida, receptores múltiplos (4) podem ser providos ao mesmo navio (5). Os receptores (4) poderíam operar completamente e independentemente um do outro sem a necessidade por qualquer arranjo de escravo-mestre. [075] O arranjo de receptor de hidrofone (47) pode ser um arranjo vertical de multi-elementos projetado para receber os sinais das estações (1). Na maioria dos casos, o navio (5) é uma grande fonte de ruído acústico. Por conseguinte, o arranjo de multi-elementos é idealmente de feixe formado eletronicamente para guiar um feixe longe do alto ruído do barco, assim para alcançar ganho de arranjo. Em algumas circunstâncias, o sistema pode ser usado para posicionar um grande navio (5), cujas fontes principais de ruído são os propulsores de 500 a 2000 MW que podem gerar até 200 dB de ruído acústico. O presente sistema deveria ser capaz de operar sob condições operacionais de navio (5) normais, e ser capaz de receber sinais das estações (1) na presença do ruído de navio (5). Idealmente, o arranjo de receptor de hidrofone (47) deveria ser posicionado de forma profunda o bastante para limpar os propulsores de navios, e o topo do arranjo de receptor de hidrofone (47) deveria ter uma visão clara à estação (1). [076] A diferença entre o presente sistema preferido e um sistema de rastreamento de linha base longa tradicional é que o barco ou navio (5) é passivo. Quer dizer, o navio (5) não faz nenhum som (diferente de ruído operacional normal) diferente daqueles navios usando sistemas tradicionais, que transmitem sinais para interrogar balizas. O navio (5) tem a habilidade para calcular sua posição recebendo e processando sinais recebidos das várias estações (1). Esta recepção passiva habilita múltiplos navios (5) operarem dentro da mesma área sem interferir entre si. [077] Uma vez que um navio (5) está na vizinhança de uma grade (9), ele poderá idealmente ser capaz de receber um mínimo de três estações (1) a fim de se posicionar. Por conseguinte, no arranjo preferido, os navios (5) precisam estar dentro de alcance de quatro estações (1) para prover um grau de redundância. [078] A relação de sinal para ruído deveria ser tal que um navio (5) com um alto nível de auto-ruído será capaz de se posicionar precisamente, portanto, para navios mais silenciosos (5), o grau de precisão de posicionamento será mais alto. Um navio mais silencioso (5) pode ser capaz de receber sinais de até dez estações (1). [079] Há uma capacidade para transmitir telemetria de comando e controle de navios (5) para estações (1), mas isto só seria incluído para manutenção de sistema, sincronização de tempo, e propósitos de controle de sistema e não seria usado para operações normais. [080] Não só o sistema será capaz de rastrear navios (5) na superfície da água, mas o sistema será capaz de rastrear navios (5) e objetos subaquáticos, por exemplo, ROVs (6) ou AUVs (7). [081] O ROV (6) poderia tipicamente ser conectado à superfície por um umbilical (8). O ROV (6) pode ser provido com um meio capaz de detectar o tempo de chegada dos sinais das estações (1) e transmitir aquela informação até o umbilical (8) a um receptor (4) na superfície, que poderia solucionar posição do ROV (6). [082] Além de suporte de ROV (6), o sistema também pode suportar um AUV (7). A diferença entre as duas soluções é que o processador a bordo do AUV (7) teria que solucionar posição, como não tem nenhum meio galvânico de comunicação com um navio de superfície (5). [083] O sistema também poderia ser usado para ajudar com atividades de construção subaquáticas. A principal tarefa de construção subaquática é o casamento junto de peças da construção com grande precisão. O problema com qualquer operação de casamento, por exemplo, um tubo indo a um encaixe ou uma plataforma localizando em um pino ou qualquer outra operação de montagem, é o requisito dramaticamente aumentado por precisão. [084] Tipicamente, construção subaquática requer precisão na ordem de 10 mm a fim de executar a maioria de operações. O ideal nocional de precisão é atualmente 20 mm. [085] O desafio primário em alcançar esta precisão é compensar a variação na velocidade de som em água através de qualquer distância. É difícil tomar uma medição de tempo de percurso e transformá-la em uma medição de distância quando a velocidade de som em água está mudando. [086] O sistema poderia usar uma unidade de receptor especializada provida à peça sendo manobrada em posição e outra unidade de receptor, atuando como uma referência, provida à unidade à qual o sistema está localizando. Usando o receptor de referência estacionário para corrigir qualquer variação na velocidade de som, o sistema deveria ser capaz de prover uma precisão aumentada sobre a posição relativa do objeto sendo manobrado. [087] O sistema também pode prover comunicações melhoradas fazendo uso de sinalização de DSS de estação (1) à estação (1) para tomar dados coletados na vizinhança de uma estação (1), medi-los com telêmetro pela rede e entregá-los a algum ponto remoto. [088] Como taxa de dados alcançável é baixa, e há um custo por bit de energia muito alto, a concretização preferida alcança uma taxa de dados ao redor de 50 bps através de comunicações de longo alcance, embora níveis mais altos de transferência poderíam ser alcançados através de comunicações de curto alcance. [089] Tais taxas de dados são satisfatórias para a monitoração de cabeças de poço, alarmes e comunicação com AUVs (7). [090] A codificação única de cada estação submarina (1) usada nos sinais transmitidos, supera interferência de outros sistemas acústicos. Isto cria um ambiente onde uma rede relativamente escassa de estações (1) e sistemas de receptor (4) de navio (5) passivos, podem significativamente reduzir o volume e alcance de ruído acústico no ambiente submarino. A sinalização de DSS também dramaticamente reduz a poluição acústica e seu efeito sobre vida marinha de mamíferos. [091] Cada estação (1) transmite sinais acústicos às estações vizinhas (1); isto facilita estações (1) recentemente adicionadas sendo capazes de auto-calibrar sua posição atual. Isto, combinado com a habilidade para localizar as estações (1) aproximadamente 8 km à parte, e com cada estação (1) tendo uma fonte de energia de bateria capaz de até 12 meses de operação contínua, resulta em um requisito de desenvolvimento significativamente reduzido. [092] O sinal acústico usado e o uso de um SHM (2) que flutua acima da estação submarina (1) são capazes de compensar as características físicas conhecidas (por exemplo, refração de sinal) de água profunda. O sinal de DSS trata os efeitos de interferência de ruído e dispersão de sinal e o SHM (2) é capaz de transmitir o sinal, tal que o efeito de curvatura de raio (curvatura do sinal em direção à superfície) seja contra-atuado. [093] Com uma combinação de problemas técnicos, físicos e de desenvolvimento tratados com o presente sistema de posicionamento e navegação, o seguinte são as vantagens fundamentais que podem ser ganhas: [094] 1. Posicionamento de multi-navio/usuário - habilitando um custo reduzido para campos maiores. [095] 2. Sistemas acústicos reduzidos no ambiente - reduzindo o problema de poluição acústica subaquática. [096] 3. Alcance de sinal aumentado (>2 km) - habilitando menos estações submarinas (1) cobrirem uma dada área. Isto por sua vez reduz o custo de sistema global e tempo logístico e custo indireto requerido para desenvolvimento em comparação a sistemas de posicionamento existentes. [097] 4. Uma vantagem adicional do sistema é a habilidade para discriminar entre sinais gerados pelas estações (1) e ruído acústico gerado por outros sistemas de rastreamento. [098] Estas vantagens podem ser alcançadas tirando proveito de vários aspectos, incluindo: [099] 1. Sinalização de DSS para alcançar transmissões de sinal subaquáticas de distância mais longa. [100] 2. Flutuar o SHM (2) acima do fundo de mar a fim de compensar o efeito de refração em água mais profunda através das distâncias desejadas. [101] 3. Ter sistemas de receptor passivo (4) (navio, equipamento de perfuração, ROVs (6), etc.) calculando sua posição dos sinais recebidos das estações submarinas (1) dentro de alcance para habilitar a capacidade de multi-navio/usuário. [102] Enquanto o método e aparelho da presente invenção foram resumidos e explicados, será apreciado por aqueles qualificados na técnica que muitas concretizações amplamente variadas e aplicações estão dentro da extensão da presente invenção, e que a informação contida dentro deste documento não deveria ser interpretada como limitando a extensão desta invenção.

Claims (20)

1. Sstema para posicionar pelo menos um navio ou objeto (5) em um ambiente aquático, caracterizado por incluir: cada dito navio ou objeto (5) tendo um receptor passivo (4) respectivo conectado a ele; e pelo menos dois transmissores (1) localizados abaixo da superfície de dito ambiente aquático e elevado acima do fundo de dito ambiente aquático; e meio de localização para determinar a posição de cada dito transmissor; em que cada dito transmissor (1) transmite um sinal que unicamente identifica cada dito transmissor e é transmitido independente de um sinal de comando ou de interrogação, a partir do navio ou objeto (5) e dito receptor (4) em cada dito navio ou objeto (5) recebe cada dito sinal e um meio de cálculo determina a posição de dito navio ou objeto (5) baseado nos sinais recebidos.

2. Sstema de acordo com reivindicação 1, caracterizado por cada dito transmissor (1) transmitir seu sinal em tempos predeterminados.

3. Sstema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o dito transmissor (1) ser um hidrofone de transmissão (16).

4. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 3, caracterizado por cada dito transmissor ser preso a um respectivo alojamento (25) localizado no fundo do ambiente aquático.

5. Sstema de acordo com reivindicação 4, caracterizado por o dito transmissor (1) ser fixado acima do fundo de dito ambiente aquático.

6. Sstema de acordo com reivindicação 4, caracterizado por o dito transmissor (1) ser preso a um meio de flutuação (15) e ser flutuado acima de dito alojamento (25).

7. Sstema de acordo com reivindicação 6, caracterizado por o dito meio de localização rastrear a posição do dito meio de flutuação (15).

8. Sstema de acordo com reivindicação 6 ou 7, caracterizado por o dito meio de localização incluir um hidrofone de transmissão (16) preso a dito alojamento (25), e pelo menos três hidrofones de recepção (12) presos a dito meio de flutuação (15).

9. Sstema de acordo com reivindicação 6 ou 7, caracterizado por o dito meio de localização incluir um hidrofone de transmissão (16) preso a dito meio de flutuação (15), e pelo menos três hidrofones de recepção (12) localizados no dito alojamento (25).

10. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 9, caracterizado por em intervalos predeterminados, um de ditos transmissores suspender a transmissão a fim de receber uma transmissão de outro dito transmissor para habilitar sinais de relógio de ditos transmissores serem calibrados ou sincronizados.

11. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 10, caracterizado por o dito receptor (4) incluir um formador de feixe para minimizar interferência de qualquer ruído emanando de dito navio ou objeto (5) ao qual dito receptor (4) está conectado.

12. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 12, caracterizado por incluir um meio de exibição para exibir informação de posição.

13. Sstema de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 12, caracterizado por o dito alojamento (25) estar conectado a uma fonte de energia externa.

14. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 13, caracterizado por os ditos transmissores serem arranjados em uma grade em forma hexagonal, quadrada, de diamante, octogonal ou triangular.

15. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 14, caracterizado por os ditos transmissores serem espaçados à parte por uma distância igual ou maior que a profundidade do ambiente aquático.

16. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 15, caracterizado por os ditos transmissores estarem localizados pelo menos 2 km à parte.

17. Sstema de acordo com uma das reivindicações de 4 a 16, caracterizado por o dito alojamento (25) incluir: um controlador principal (31) para controlar componentes em dito alojamento (25); um meio de processamento de sinal para modificar qualquer sinal transmitido ou recebido; uma fonte de energia para prover energia a dito alojamento (25); um gerador de sinal (30) para gerar dito sinal único.

18. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 17, caracterizado por o dito receptor (4) incluir: pelo menos um hidrofone de recepção (12) para receber ditos sinais únicos; um formador de feixe para minimizar interferência a sinais; eum meio de processamento para controlar componentes em dito receptor (4).

19. Sstema de acordo com reivindicação 18, caracterizado por o dito meio de processamento exibir a localização sobre uma unidade de exibição.

20. Sstema de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 19, caracterizado por incluir um receptor de referência estacionário para ajudar na localização e posicionamento de dito objeto (5).