ES2352000T3 - Métodos y sistemas para navegar bajo el agua. - Google Patents

Abstract

Un método para determinar la posición absoluta bajo el agua de una embarcación sumergible (1) que tiene un sistema de navegación de reconocimiento aislado o incomunicado, que no recibe información de posición desde el exterior de la embarcación, de tal manera que la embarcación recibe señales acústicas procedentes de una estación de referencia (34) que tiene una posición absoluta conocida, y calcula su distancia de separación desde la estación de referencia, caracterizado por que se reciben señales procedentes de una estación de referencia (34) en dos o más posiciones de la embarcación (1); por que se obtienen datos de velocidad de cambio de la distancia (la velocidad de variación de distancia de separación) de la embarcación, a partir de dichas señales acústicas; y por que se calculan posiciones absolutas estimadas de la embarcación utilizando dicha distancia de separación calculada y dicha velocidad de variación de distancia de separación, y utilizando datos de posición relativa procedentes del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado.

Description

La invención se refiere a un método y a un sistema para determinar la posición absoluta bajo el agua de una embarcación sumergible, tal como, por ejemplo, un submarino no tripulado y accionado autónomamente, así como a un método para barrer o explorar un área de supervisión bajo el agua.

La embarcación sumergible es del tipo que tiene un sistema de navegación de reconocimiento aislado o incomunicado, que no recibe información de posición del exterior de la embarcación, y la embarcación recoge datos por medio de señales acústicas procedentes de una estación de referencia que tiene una posición absoluta conocida, y calcula su distancia desde la estación de referencia por medios de computación, preferiblemente, una computadora instalada a bordo.

Se conocen diversos métodos y sistemas para determinar de forma inequívoca la posición de una embarcación o de un vehículo sobre la superficie de la tierra o la superficie del mar. Como ejemplos, pueden mencionarse los sistemas de navegación por satélite conocidos de forma generalizada (GPS [Sistema de Localización Global –“Global Positioning System”]; NAVSTAR [Regulación Temporal y de Alcance vía Satélite para Navegación –“Navigation Satellite Timing and Ranging”]; GLONASS [Sistema vía Satélite para Navegación por Órbitas Globales –“Global Orbiting Navigation Satellite System”]), y los sistemas DECCA y LORAN previamente conocidos.

Tales sistemas están basados, casi universalmente, en señales de radio de onda corta y, por tanto, no son utilizables bajo el agua debido a la muy mala propagación de tales señales de radio a través del agua, especialmente, el agua de mar.

Se conocen sistemas para la comunicación y/o la navegación bajo el agua por medio de señales de radio de onda muy larga, pero tales sistemas no ofrecen propiedades necesarias para una navegación comercial precisa, tales como la disponibilidad, la resolución y la precisión.

Un principio y un sistema para la navegación acústica bajo el agua a lo largo de distancias limitadas se conoce como “Navegación de línea de base larga” (“Long Base Line Navigation”) (designada más adelante como “LBL”); véase, por ejemplo, la divulgación de Jerome Vaganay et al.: “Rechazo de datos atípicos o extremos para navegación acústica autónoma” (“Outlier Rejection for Autonomous Acoustic Navigation”), Proc. IEEE [Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos –“Institute of Electrical and Electronics Engineers”] Int’I. Conf. Robotics and Automation [I. Conferencia de Robótica y Automática], Minneapolis (US), abril de 1996, o, para una exposición más exhaustiva, la divulgación de P. H. Milne: “Sistemas de localización acústica bajo el agua” (“Underwater Accoustic Positioning Systems”), Gulf Publishing Company (US), 1983, ISBN 0-87201-012-0.

Utilizando LBL, se establece un cierto número de puntos de referencia al colocar, por ejemplo, unos transponedores en el fondo marino formando una red o conjunto geométricamente ordenado. Tales transponedores están configurados para que cada uno de ellos transmita una señal acústica individual cuando reciben una señal acústica común.

Se conoce también el uso para este propósito, por ejemplo, de balizas acústicas, que sencillamente transmiten señales acústicas de un modo autónomo.

Cuando una embarcación sumergida ha de determinar su posición con respecto a tal red de transponedores, la embarcación transmite una señal de interrogación acústica a una frecuencia común. Al recibir la señal de interrogación, cada transponedor transmite una señal de respuesta en su propia frecuencia individual, tras un retardo individual predeterminado.

Las señales de respuesta son recogidas por unos micrófonos acuáticos o hidrófonos dispuestos en la embarcación, y un sistema instalado a bordo analiza los retardos temporales de las señales de respuesta que retornan y calcula la distancia a cada transponedor; basándose en ello, puede determinarse de forma inequívoca la posición de la embarcación con respecto a las posiciones de los transponedores, siempre y cuando se satisfagan ciertas condiciones por lo que respecta al número y posición de los transponedores.

La posición de cada transponedor puede determinarse, por ejemplo, como se describe en la divulgación de Milne, párrafo 5.2, páginas 55 y siguientes. A menudo, una unidad con un equipo acústico similar al de la embarcación sumergible se suspende de una embarcación de superficie que tiene medios de determinación de la posición absoluta tales como navegación por GPS. La embarcación de superficie se sitúa en diferentes posiciones, determinadas por medio del sistema de navegación. Desde cada una de estas posiciones, la unidad intercambia señales con los transponedores, según se ha explicado. Basándose en un número suficientemente alto de conjuntos de registros de retardo procedentes de estas diferentes posiciones conocidas, pueden calcularse entonces las posiciones de cada transponedor con una precisión satisfactoria.

En algunos sistemas de LBL conocidos, los transponedores son capaces de determinar la distancia unos de otros. Esto elimina la necesidad de determinar la posición de cada transponedor desde la superficie; cuando las posiciones de unos pocos transponedores con suficiente separación son conocidas, pueden determinarse por simple triangulación las posiciones del resto de los transponedores.

Es una desventaja de la navegación de LBL el hecho de que sea necesaria la colocación y calibración de un gran número de transponedores, al ser los transponedores a menudo muy caros y no recuperarse siempre con éxito tras una misión. Se necesita un mínimo de tres transponedores para que sea posible determinar una posición cualquiera, según se desprende de Milne, Capítulo 5, en particular, de la sección 5.2.

En el pliego de conferencia de A. Ph. Scherbatjuk: “La localización de AUV utilizando distancias de separación desde LBL de un único transponedor” (“The AUV Positioning using Ranges from One Transponder LBL”), OCEANS ’95, MTS/IEEE Proceedings of ‘Challenges of Our Changing Global Environment’ [Procedimientos de MTS/IEEE sobre ‘Desafíos de nuestro entorno global cambiante’], 1995, ISBN 0933957149, Vol. 3, págs. 1620-1623, se efectúa una divulgación sobre la navegación o gobierno de un vehículo submarino utilizando datos de distancia de separación desde un único transponedor de tipo de LBL.

En este pliego se exigen, sin embargo, severas restricciones sobre las áreas de supervisión utilizables y sobre las trayectorias del vehículo submarino. Es, por tanto, una condición previa para el uso del método divulgado que el vehículo opere a una profundidad constante y siga trayectorias conformadas en forma de meandros regulares constituidos enteramente por líneas rectas. Se establece explícitamente en el sumario del pliego que la “aplicación de trayectorias en forma de meandros no constituye una seria limitación para el uso del método ...”.

De esta forma, el autor admite que su método sólo funcionará si se están teniendo en cuenta estas restricciones.

Por supuesto, el método que se divulga en este pliego no será de uso general, contrariamente a la aseveración del autor, puesto que la mayor parte de las tareas subacuáticas implicarán, ciertamente, que el vehículo subacuático siga muchas trayectorias conformadas de manera diferente.

En el pliego de conferencia de Richard J. Babb: “Navegación de vehículos subacuáticos no tripulados para seguimientos científicos” (“Navigation of Unmanned Underwater Vehicles for Scientific Surveys”), AUV ’90, IEEE Proceedings of the Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology [Procedimientos de IEEE del Simposio sobre tecnología de vehículos subacuáticos autónomos], 1990, págs. 194-198, se sugiere, en su Sección 4, combinar LBL con Reconocimiento Insonoro (al que se hace referencia más adelante como “DR” –“Dead Reckoning”). DR puede, por ejemplo, comprender el uso de un indicador de velocidad acústico que mide la velocidad relativa con respecto al fondo marino, y/o el uso de un Sistema de Navegación Inercial (al que se hace referencia en lo que sigue como “INS” –“Inertial Navigation System”).

Con ello, es posible obtener resultados satisfactorios con un número menor de transponedores que en los LBL, DR simples que se utilizan cuando se navega entre zonas en las que puede obtenerse respuesta de tantos transponedores como sea necesario para determinar la posición por el método de LBL con una precisión adecuada.

Se ha postulado brevemente en la Sección 4 de esta divulgación el hecho de que, con un buen sistema de DR, “es posible obtener un encuadre inequívoco a partir de un único transponedor, al combinar la distancia radial al transponedor con el curso verdadero desde el sistema de DR (un “encuadre” significa una determinación de la posición absoluta).

No se aporta en la publicación, sin embargo, sugerencia alguna acerca de cómo será esto posible. Resultará obvio para la persona experta en la técnica que la simple aseveración citada no divulga ninguna solución al problema de cortar el número de transponedores necesarios para obtener una lectura de la posición; la medición de la distancia radial definirá una superficie esférica y el rumbo proporcionado por el sistema de DR no aportará ninguna solución a partir de la cual pueda ser leído el punto real sobre esta superficie.

También en esta solución combinada, tal y como se ha descrito brevemente en el pliego y se ha mostrado en la Figura 4 de esta publicación, parece ser, de hecho, necesario un número bastante elevado de transponedores, y, en particular, estos parecen estar separados en torno a la zona en la que se ha de navegar. De acuerdo con ello, un ahorro obtenido del menor número de transponedores se verá compensado en gran medida por unos costes incrementados de calibración de los transponedores que, de esta forma, se encuentran ubicados de manera más distante.

En particular, no queda claro por esta descripción tan breve el modo como tendrá que navegar, de hecho, la embarcación sumergible.

En el pliego de conferencia de A. Ph. Scherbatjuk et al.: “Sistema de localización integrado para vehículo autónomo subacuático MT-88” (“Integrated Positioning System for Underwater Autonomous Vehicle MT-88”), OCEANS 94, IEEE Proceedings of Oceans Engineering for Today’s Technology and Tomorrow’s Preservations [Procedimientos de IEEE de ingeniería oceánica para la tecnología de hoy y la conservación del mañana], 1994, ISBN 0780320565, Vol. 3, págs. III/384-388, se divulga un sistema de localización integrado similar.

Este sistema se basa en el tratamiento conjunto a bordo del vehículo subacuático de datos procedentes de un sistema de navegación autónomo instalado a bordo y de un sistema de localización acústica de Línea de Base Larga.

Los datos de LBL se proporcionan para su uso por parte de al menos dos y, preferiblemente, tres transponedores, pero no parece explicarse cómo de grande es el área de fondo marino que puede ser observada o supervisada por medio de este sistema.

En el pliego de conferencia de A. H. Carof: “Sistema de seguimiento por retardo diferencial acústico y efecto Doppler para localización y guiado de AUV [Vehículos Autónomos Subacuáticos – “Autonomous Underwater Vehicles”] de largo alcance o autonomía” (“Acoustic Differential Delay and Doppler Tracking System for Long Range AUV Positioning and Guidance”), IEEE Proceedings of the 1994 Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology [Procedimientos de IEEE del Simposio de 1994 sobre tecnología de vehículos subacuáticos autónomos], 1994, ISBN 0780318080, páginas 370-375, se describe un sistema consistente en dos balizas de referencia duales sincronizadas en frecuencia, y un micrófono acuático o hidrófono.

Las balizas transmiten de forma concurrente señales a frecuencias individuales, fijas y predeterminadas. Utilizando el hidrófono, el vehículo subacuático mide el retardo diferencial y el desplazamiento o corrimiento Doppler diferencial de dichas señales transmitidas desde dichas balizas. Suponiendo y utilizando conocimientos previos acerca de la velocidad del vehículo subacuático, se determina la posición a partir de dichas mediciones.

Se conoce por la Patente norteamericana Nº 5.357.437 un sistema de navegación subacuática en el que una embarcación sumergida deja caer uno o más marcadores magnéticos sobre el fondo marino y utiliza el campo magnético originado en estos marcadores para determinar su posición en ese momento. Los marcadores pueden tener imanes permanentes o electroimanes alimentados por una corriente alterna.

Por otra parte, la embarcación tiene un sistema de navegación de DR y/o INS y será, por tanto, capaz de navegar durante algún tiempo sin señales de posición desde los marcadores.

Es una desventaja sustancial de este sistema conocido que no se determine la posición absoluta de los marcadores.

Por último, se conocen por las Patentes norteamericanas Nos. 5.119.341 y 5.579.285 métodos y aparatos para extender o ampliar sistemas de navegación basados en radio tales como el GPS a un uso bajo el agua.

Un cierto número de boyas están flotando sobre la superficie, y cada boya está registrando de forma continua su posición por medio de la recepción de señales provenientes del sistema de navegación basado en radio. Cada boya transmite señales acústicas al seno del agua.

En la última de las dos Patentes norteamericanas, la Nº 5.119.341, puede determinarse entonces la posición de una embarcación sumergida con respecto a las boyas, por ejemplo, por medio de una estrategia en correspondencia con la que se utiliza en el propio GPS. Se transmiten, además, datos entre la embarcación sumergida y una estación basada en tierra, a través de los mismos canales acústicos y a través de canales de radio por medio de satélites de comunicación.

Aparentemente, solo en la última de las Patentes norteamericanas la embarcación está determinando, en efecto, su posición de esta manera; en la última Patente, la posición se determina en la superficie o en la estación basada en tierra.

La Patente norteamericana Nº 5.579.285 también menciona un concepto para determinar la posición del vehículo subacuático a partir del uso de solo una boya, col. 4, línea 44 y siguientes. Sin embargo, la mencionada solución requiere que la boya sea transportada y soltada desde el vehículo subacuático. Asimismo, la boya tiene que ser programada con anterioridad con la posición en la que es liberada.

Por supuesto, el vehículo subacuático no “sabrá” dónde está,

o de otro modo no necesitaría soltar ninguna boya para obtener un “encuadre” de posición. Por lo tanto, la posición de liberación de la boya será, en cualquier caso, indefinida. Alternativamente, debe programarse una estimación de la posición en la boya antes de ser esta soltada desde el vehículo subacuático, lo que requiere que el vehículo tenga esta capacidad.

La boya también necesita saber la dirección de la trayectoria que trata de seguir el vehículo subacuático tras la liberación de la boya. Especialmente para aplicaciones militares, puede también representar una desventaja significativa el hecho de que el vehículo subacuático tenga que transmitir señales, lo que elimina la posibilidad de una operación encubierta.

En consecuencia, esta divulgación tampoco parece proporcionar ninguna solución utilizable.

Es un propósito de la presente invención proporcionar un método y un sistema para determinar la posición absoluta bajo el agua, por los cuales pueda obtenerse una posición precisa a partir de un número mínimo de estaciones de referencia, preferiblemente solo una estación de referencia.

Es un propósito adicional de la invención eliminar la necesidad de una embarcación de superficie para desplegar y calibrar transponedores o para ayudar o proporcionar apoyo, de forma general, a la embarcación sumergible.

Es, por último, un propósito de la invención proporcionar un método para explorar un área de supervisión subacuática que presente necesidades sustancialmente reducidas de despliegue de transponedores

o de asistencia o apoyo desde embarcaciones de superficie.

En un método para determinar la posición absoluta bajo el agua de una embarcación sumergible que tiene un sistema de navegación de reconocimiento aislado o incomunicado que no recibe información de posición desde el exterior de la embarcación, de tal manera que la embarcación recibe señales acústicas provenientes de una estación de referencia que tiene una posición absoluta conocida, y calcula su distancia de separación desde la estación de referencia, dichos propósitos se satisfacen por cuanto que se reciben señales procedentes de una estación de referencia en varias posiciones de la embarcación, y se calculan las posiciones absolutas estimadas de la embarcación utilizando datos de distancia de separación basados en las señales recibidas, y utilizando datos de posición relativa procedentes del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado.

Al recibir y tratar dichas señales en varios puntos de la embarcación, se obtiene una medición y/o redundancia correspondientes en múltiples dimensiones, como cuando se reciben señales en una única posición procedentes de varias estaciones de referencia.

Preferiblemente, las señales son recibidas y los datos procesados o tratados a cortos intervalos de tiempo, lo que proporciona una estimación sustancialmente continua de datos de posición absoluta. Con ello se consigue una determinación y una actualización de la posición muy superiores a las de la técnica anterior.

Preferiblemente, se estima la posición de la estación de referencia en un sistema de coordenadas relativas de dicho sistema de navegación de reconocimiento incomunicado. Esto hace posible una modelización matemática ventajosa de la posición absoluta a bordo de la embarcación.

En una realización, los datos de posición absolutos estimados se utilizan, preferiblemente, para actualizar los datos de posición relativa del sistema de reconocimiento incomunicado. Estos últimos datos constituirán, de esta forma, una fuente continua de información de posición absoluta fiable.

Se prefiere, en general, que las estimaciones se hagan de parámetros intrínsecos a la naturaleza del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado, tales como corrientes marinas, y los datos de posición relativa obtenidos del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado se compensan con la estimación de dichos parámetros.

De esta forma, la influencia perjudicial de tales parámetros se minimizará de un modo eficaz.

De preferencia, se utiliza un algoritmo de mínimos cuadrados a la hora de determinar los valores de las estimaciones. Este algoritmo ha demostrado ser superior por lo que respecta a suministrar estimaciones rápidas y fiables.

De acuerdo con una realización preferida de la invención, se deducen de las señales recibidas, conjuntamente con datos de distancia de separación, datos sobre la velocidad de cambio de la distancia de separación de la embarcación desde la estación de referencia.

Con ello, los requisitos con respecto al número y/o la calidad de las mediciones se reducen enormemente, haciendo así posible una precisión y fiabilidad incrementadas del método de la invención.

Dichos datos de “Velocidad de cambio” son, preferiblemente, deducidos de registros de corrimientos Doppler de las frecuencias de las señales acústicas procedentes de la estación de referencia, o, alternativamente, de registros de impulsos de espectro extendido contenidos en las señales acústicas procedentes de la estación de referencia. Ambos métodos han demostrado proporcionar datos de velocidad de variación de distancia de separación fiables y eficientes.

Se prefiere, en general, estimar la posición de la estación de referencia en un sistema de coordenadas relativas de dicho sistema de navegación de reconocimiento incomunicado a partir del tratamiento de datos que comprenden datos de velocidad de variación de distancia de separación así como datos de distancia de separación. Como se ha

mencionado

anteriormente, esto hace posible una modelización

matemática

ventajosa de la posición absoluta de a bordo de la

embarcación.

Preferiblemente,

dichas estimaciones se realizan,

adicionalmente, utilizando información acerca de la profundidad de la estación de referencia. Se introduce con ello una redundancia ventajosa en los datos de estimación de la posición.

En un método para explorar un área de observación o supervisión subacuática por medio de una embarcación sumergible que se desplaza por un recorrido o camino deseado, de manera que la embarcación, que tiene un sistema de navegación de reconocimiento incomunicado, no recibe información de posición desde el exterior de la embarcación, en el cual la embarcación recibe señales acústicas desde una estación de referencia que tiene una posición absoluta conocida y calcula su distancia de separación desde la estación de referencia, los propósitos anteriormente mencionados se alcanzan por cuanto que la posición absoluta de la embarcación se determina de forma intermitente de acuerdo con le método de la invención.

Con ello, es posible supervisar un área bajo el agua utilizando tan solo una única estación de referencia, o al menos un número enormemente reducido de estaciones de referencia, en relación con la técnica anterior.

Preferiblemente, si dicha área se extiende más allá del alcance operativo de la estación de referencia, la trayectoria pretendida para la embarcación se dispone de manera que lleve la embarcación dentro de dicho alcance operativo a intervalos uniformes de tiempo.

De esta forma, se utiliza de manera óptima la capacidad del sistema de DR para navegar con una precisión satisfactoria durante un periodo limitado de tiempo, en tanto que, al mismo tiempo, se mantiene una precisión satisfactoria para la duración de toda la misión.

Se prefiere que la trayectoria deseada de la embarcación se disponga de modo que lleve la embarcación dentro de una distancia mínima de cada punto del área, a fin de garantizar una completa cobertura del área con un esfuerzo y gasto mínimos.

En realizaciones preferidas de los métodos de la invención, la estación de referencia se sitúa en una posición absoluta fija.

Esto hace posible una configuración simple y efectiva, así como costes mínimos.

En una realización especialmente preferida de la invención, la posición absoluta de la estación de referencia se determina por la embarcación sumergible en la superficie del agua recogiendo datos de posición absoluta en un cierto número de posiciones desde un sistema de localización utilizable en la superficie del agua, y, mientras se encuentra en la superficie, recibiendo señales acústicas procedentes de la estación de referencia y calculando datos de distancia de separación a partir de dichas señales, de tal manera que los datos de posición y de distancia de separación son, preferiblemente, tratados en a bordo del vehículo.

Por otra parte, en esta realización, la estación de referencia es, preferiblemente, lanzada desde la embarcación sumergible y, como es especialmente preferido, recogida también por la embarcación sumergible tras estimar la posición absoluta.

En estas realizaciones, muy importantes, la necesidad de una embarcación de superficie se ve reducida y a menudo es posible, de hecho, prescindir de esta. Con ello, los costes de una misión de observación o supervisión bajo el agua pueden minimizarse adicionalmente de un modo muy eficaz.

La estación de referencia puede comprender, preferiblemente, un transponedor acústico o, alternativamente, una baliza acústica. Estas características, en sí mismas conocidas, proporcionarán fuentes de señales eficientes para diversos tipos de misión.

En otra realización preferida, la estación de referencia se sitúa sobre la superficie del agua, preferiblemente en una boya o en una embarcación.

De acuerdo con la invención, esto hará posible la muy importante posibilidad de proporcionar a la estación de referencia acceso directo a datos de posición absoluta fiables a través de, por ejemplo, GPS.

Preferiblemente, dichos datos son reemitidos a la embarcación sumergida, proporcionando una actualización inmediata de la estimación de la posición absoluta del sistema de DR.

Adicionalmente, en esta realización, se prefiere que la estación de referencia intercambie datos de comunicación con un sistema de comunicación utilizable en la superficie del agua, e intercambie dichos datos con la embarcación sumergible.

Con ello, puede establecerse un canal de comunicación eficiente hacia y desde la embarcación de una forma particularmente simple y ventajosa.

En una cierta realización de la invención, la estación de referencia se emplaza en una embarcación sumergible que se hace emerger a superficie durante el uso de la estación de referencia.

Esto permite la posibilidad, póngase por caso, de que un par de embarcaciones sumergibles operen de forma autónoma, o sometidas a control remoto, en una misión subacuática durante periodos de tiempo muy prolongados.

En un sistema para determinar la posición absoluta bajo el agua de una embarcación sumergible, el sistema comprende:

-una estación de referencia que tiene unos medios de comunicación acústica;

- medios de comunicación acústica emplazados a bordo de la embarcación;

-un sistema de navegación de reconocimiento incomunicado, emplazado a bordo de la embarcación;

de modo que los propósitos mencionados se satisfacen en el sistema, que comprende adicionalmente medios de computación, preferiblemente emplazados a bordo de la embarcación y destinados a estimar datos de posición absoluta a partir de recepciones consecutivas de señales procedentes de una misma estación de referencia.

Estas características permitirán al sistema funcionar de

acuerdo con los métodos de la invención.

El

sistema de reconocimiento incomunicado es,

preferiblemente, un Sistema de Navegación Inercial, preferiblemente, comprende: - un cierto número de giróscopos de láser en anillo; - un cierto número de acelerómetros de estado sólido;

y/o,

- un indicador Doppler de velocidad con respecto al suelo;

- un sensor de medición directa o indirecta de la velocidad del sonido; y

-un sensor de presión.

Estas características hacen posible una navegación autónoma y fiable del vehículo subacuático durante periodos de tiempo comparativamente largos, sin haber actualizado el sistema de DR.

En una realización preferida del sistema, la embarcación sumergible está configurada para transportar un cierto número de estaciones de referencia y para lanzar las estaciones de forma independiente.

Se prefiere, de manera adicional, que la embarcación sumergible esté configurada para recoger un cierto número de estaciones de referencia.

Estas características, muy importantes, permiten, de manera adicional, eliminar la necesidad de una embarcación de asistencia de superficie, tal y como se ha explicado anteriormente.

En el sistema, las estaciones de referencia son, preferiblemente, transponedores o balizas acústicas que reposan sobre el fondo marino o están suspendidas por encima de él por un ancla que descansa sobre el lecho marino, o, alternativamente, están ubicadas en boyas o embarcaciones que flotan en la superficie del agua.

Mediante estas disposiciones, se obtienen ventajas correspondientes a las anteriormente explicadas con referencia a los métodos de la invención.

La invención se explicará con mayor detalle a continuación, por medio de ejemplos de realización y con referencia los dibujos, en los que las mismas notaciones de referencia indican objetos similares en todas las figuras, y en los cuales:

La Figura 1 muestra la determinación de la posición absoluta de una embarcación sumergible por medio de un sistema de navegación de LBL de la técnica anterior, en una vista en planta superior y esquemática;

La Figura 2 muestra la determinación de la trayectoria absoluta y de las posiciones absolutas de una embarcación sumergible por medio del método de acuerdo con la invención, en una vista en planta superior y esquemática;

La Figura 3 muestra una embarcación sumergible no tripulada que determina la posición de un transponedor situado en el fondo marino, y, tras ello, determina su propia posición con respecto al transponedor cuando está sumergida cerca del fondo marino, en una vista en perspectiva y esquemática;

La Figura 4 muestra un recorrido que se ha de seguir por parte de una embarcación sumergible que explora o barre un área de supervisión bajo el agua, en una vista en planta superior y esquemática;

La Figura 5 muestra el mismo procedimiento que en la Figura 3, en el que la propia embarcación sumergible deja caer un transponedor y lo calibra según se presenta la necesidad de determinación de la posición absoluta, en una vista lateral y esquemática;

La Figura 6 muestra un vehículo subacuático que determina su posición absoluta a partir de uno o dos tratamientos de señales acústicas procedentes de un único transponedor, en una vista lateral esquemática;

La Figura 7 muestra una embarcación sumergible que determina su posición absoluta a partir de uno o dos tratamientos de señales acústicas recibidas de forma pasiva desde una única boya, en una vista lateral esquemática;

La Figura 8 muestra un vehículo subacuático que determina su posición absoluta a partir de un cierto número de mediciones en señales acústicas recibidas de forma pasiva desde una única baliza acústica o emisor de sonda acústica, en una vista lateral esquemática; y

La Figura 9 muestra un vehículo subacuático que determina la posición absoluta de una tubería sumergida y que supervisa seguidamente la tubería utilizando datos de posición previamente recogidos.

La Figura 1 ilustra el principio básico de funcionamiento de un sistema de navegación de LBL generalmente conocido. La Figura 1 es una vista en planta superior de un área del fondo marino. Una embarcación sumergida 1 está navegando cerca del fondo marino. Sobre el lecho, o suspendidos por encima de este, se encuentran situados cuatro transponedores 2-5.

Los transponedores son de cualquier tipo conocido en sí mismo para uso en sistemas de LBL; cada uno de ellos está equipado con un micrófono acuático o hidrófono y un altavoz, cuyas posiciones se indican por los números de referencia 11-14.

Cada uno de los transponedores 2-5 está configurado para transmitir una señal de respuesta acústica a través del altavoz, al recibir una señal de interrogación acústica a través del hidrófono. Preferiblemente, la señal de respuesta se demora un retardo único de un tiempo predeterminado hasta cada transponedor con respecto a la recepción de la señal de interrogación, y la señal de respuesta es transmitida a una frecuencia única o exclusiva para cada transponedor.

De esta forma, cuando una unidad está transmitiendo una señal de interrogación, esta recibirá señales de respuesta desde los transponedores con diferentes retardos y a distintas frecuencias.

Determinando el retardo temporal desde la transmisión de la señal de interrogación hasta la recepción de una señal de respuesta a la frecuencia de un transponedor particular, la distancia o “separación” desde la unidad a este transponedor puede calcularse entonces cuando se conocen la velocidad del sonido en el agua y el retardo temporal del transponedor.

Las posiciones absolutas de los transponedores se han determinado de antemano, preferiblemente por triangulación desde una embarcación de superficie que establece sus propias posiciones a partir de, por ejemplo, un sistema de navegación vía satélite tal como el GPS.

La embarcación sumergible 1 está equipada, de la misma manera, con un hidrófono y un altavoz, cuya ubicación se indica por el número de referencia 10.

Con el fin de determinar su posición cuando se necesita, la embarcación sumergida transmite ahora una señal de interrogación desde su altavoz 10, de tal modo que la señal es recibida por los hidrófonos 11-14 de los transponedores 2-5. Los transponedores 2-5 transmiten señales de respuesta según se ha mencionado desde sus altavoces 11-14, y estas señales son recibidas por el hidrófono 10 de la embarcación 1.

A continuación, los cuatro retardos individuales se determinan y tratan en un sistema ubicado dentro de la embarcación 1, y se calculan las distancias 6-9 a cada uno de los transponedores, según se ha mencionado. Puede calcularse con ello la posición de la embarcación 1 con respecto a los transponedores 2-5 −y, por tanto, la posición absoluta de la embarcación. Esto se realiza, preferiblemente, a bordo de la embarcación, que será entonces capaz de utilizar la posición absoluta calculada cuando navega.

Los transponedores del tipo utilizado pueden estar equipados con sensores tales como sensores de presión, de temperatura o de salinidad para determinar la velocidad del sonido y la profundidad del transponedor. Esta información puede ser entonces reemitida al transponedor a través de telemetría y utilizarse para hacer uso como ayuda del transponedor.

Por otra parte, se conocen transponedores que son capaces de determinar la distancia unos de otros, ayudando de esta forma a determinar sus posiciones absolutas.

Sin embargo, es una condición previa para una determinación fiable y reproducible de la posición que la “Línea de base”, es decir, la distancia 26 entre dos transponedores cualesquiera es suficientemente grande comparada con las distancias medidas 6-9; de aquí la designación de Línea de Base Larga (LBL –“Long Base Line”). En otras palabras, deben evitarse los ángulos agudos entre las líneas que van desde la embarcación a dos transponedores cualesquiera.

En la Figura 2 se ilustra una realización del método de acuerdo con la invención, en la misma vista que la de la Figura 1. Una embarcación sumergida 1 está navegando cerca del fondo marino; en el suelo, o suspendido sobre este, se ha colocado un transponedor 19. La embarcación 1 ha de seguir una trayectoria deseada 25.

De acuerdo con la invención, la embarcación 1 está equipada con un sistema de navegación de Reconocimiento Insonoro (DR –“Dead Reckoning”), que permite a la embarcación navegar con una precisión deseada durante cortos periodos de tiempo sin tener que actualizar su posición absoluta. Semejante sistema de navegación es conocido en sí mismo y comprenderá, típicamente, un compás, un indicador de velocidad y un indicador de profundidad. En sistemas de altas prestaciones de este tipo, se incluirá también un Sistema de Navegación Inercial (INS –“Inertial Navigation System”).

En la presente realización, el sistema de navegación de DR es, preferiblemente, de muy altas prestaciones, de modo que permite que la embarcación sumergida 1 navegue durante periodos de tiempo bastante largos con tan solo pequeñas desviaciones con respecto a la posición absoluta. El estado de la técnica, a este respecto, permitirá al sistema de navegación de DR estimar la posición absoluta de la embarcación sumergida con una desviación máxima de 3 m a lo largo de un periodo de tiempo de 1 h; o de entre aproximadamente el 0,03% y 0,1% de la distancia recorrida, dependiendo de la uniformidad de la trayectoria.

Un sistema de navegación de DR preferido para el uso descrito comprenderá, preferiblemente, los siguientes sistemas: un denominado Sistema de Navegación Inercial (INS) de “Atadura” (esto es, un INS en el cual los sensores inerciales están fijados rígidamente (“atados”) al cuerpo del vehículo, por ejemplo, basándose en giróscopos de láser en anillo y acelerómetros de estado sólido), un indicador Doppler de velocidad con respecto al suelo (DVL –“Doppler Ground Velocity Log”) o indicador de velocidad de correlación, un sensor de CTD (conductividad temperatura y profundidad –“Depth”), o un sensor de medición directa de la velocidad del sonido, así como un sensor de presión. Semejante sistema es capaz de determinar el rumbo absoluto por “alineación”, al detectar los vectores de gravedad y de rotación de la tierra y medir la velocidad absoluta por medio del indicador de velocidad.

Un INS adecuado es del tipo KN-5053 de la Kearfott G&N Corporation of America, Nueva Jersey, USA.

En el ejemplo de realización de la Figura 2, la embarcación sumergida 1 sigue una trayectoria 25 que pasa por los puntos 15-18. La embarcación 1 interroga al transponedor 19 en cada uno de estos puntos y, a partir de las señales de respuesta del transponedor, se calculan las distancias (separaciones) 21-24.

El sistema de navegación de DR de la embarcación 1 será capaz de navegar de forma precisa a través de todo el recorrido 15-1617-18-15 con respecto al punto de partida 15, si el recorrido se concluye en un tiempo suficientemente corto. Suponiendo esto, el problema matemático de determinar las posiciones absolutas 15-18 en el recorrido 25 con respecto a la posición conocida del transponedor 19, se reduce a un problema del mismo tipo y complejidad que el problema ilustrado en la Figura 1 de determinar la posición de la embarcación 1 con respecto a las posiciones conocidas de los transponedores 2-5.

Los mismos requisitos geométricos de los transponedores 25 de la Figura 1 se aplican para la localización de los puntos 15-18, es decir, las líneas de base deben ser largas y deben evitarse los ángulos agudos con el fin de conseguir una precisión óptima.

En la práctica, la posición del transponedor 19 se determinará, preferiblemente, en un sistema de coordenadas relativas del sistema de navegación de DR de la embarcación 1. El descentramiento del sistema de navegación de DR se calcula fácilmente como la diferencia entre la posición absoluta conocida del transponedor y la posición relativa determinada del transponedor, y se determina, de aquí, la posición absoluta del recorrido 25.

Se prefiere, en general, que las estimaciones de la posición de la embarcación 1 con respecto al transponedor individual 19 se deduzcan por medio de la posición suministrada como salida por el sistema de navegación de DR y las mediciones de distancia. Por otra parte, los parámetros intrínsecos a la naturaleza del sistema de navegación de DR, tales como, por ejemplo, la corriente marina, pueden estimarse como parte del procedimiento. Cada medición de la distancia se hace referida a la posición suministrada como salida por el sistema de navegación de DR, compensada por la estimación de parámetros intrínsecos al sistema de navegación DR, y se realiza la estimación de la posición del transponedor en el sistema de coordenadas relativas del sistema de navegación de DR.

Preferiblemente, se utiliza un algoritmo de mínimos cuadrados (véase, por ejemplo, la divulgación de Lennart Ljung: “Identificación de sistema, teoría para el usuario” (“System Identification, Theory for the User”), Prentice-Hall, 1987, ISBN 0-13881640-9) para determinar valores de los parámetros intrínsecos al sistema de navegación de DR y una posición del transponedor en el sistema de coordenadas relativas del sistema de navegación de DR que mejor se ajuste al conjunto de relaciones obtenidas de las mediciones de distancia, con respecto a la minimización de los cuadrados. Puede también utilizarse un método recursivo tal como, por ejemplo, el filtro de Karman, en sí mismo conocido, para implementar los cálculos de triangulación.

El descentramiento del sistema de navegación de DR se calcula ahora como la diferencia entre la posición absoluta conocida del transponedor y la posición determinada en el sistema de coordenadas relativas del sistema de navegación de DR.

En general, un mínimo de tres o cuatro mediciones de distancia de separación proporcionarán una solución inequívoca, sometida al hecho de que se conozca o no a priori la profundidad del transponedor (la profundidad del vehículo puede ser medida directamente por detección de la presión, tal y como ya se ha mencionado). Se requerirán unas pocas distancias de separación más si el indicador de velocidad del sistema de DR sólo mide el desplazamiento con respecto a la masa de agua. En general, se medirán también distancias de separación adicionales con el fin de añadir redundancia en el caso de mediciones espurias, y para mejorar la precisión.

Es una ventaja importante del método de acuerdo con la invención el hecho de que no sea necesario que el vehículo siga ningún recorrido específico. Es también una ventaja del método que la posición del vehículo con respecto al transponedor se determina sin requerir el conocimiento de la posición absoluta del transponedor.

Con respecto a los sistemas de LBL de la técnica anterior, se conoce bien que, al objeto de conseguir una óptima precisión, las líneas de base entre cada transponedor deben ser largas y han de evitarse los ángulos agudos. La presente invención, sin embargo, presenta una ventaja muy significativa sobre los sistemas de LBL por cuanto que es posible realizar mediciones de distancia de separación hasta el transponedor en cuestión desde cualquier número de posiciones, es decir, un número mucho mayor que el número de transponedores de un sistema de LBL. El equivalente en LBL de esto sería desplegar un número correspondientemente elevado de transponedores, lo que es tanto muy poco práctico como muy costoso.

Si el sistema de DR no es capaz de compensar las corrientes marinas, es decir, si solo se mide la velocidad a través del agua, la corriente marina puede ser también estimada a partir de las mediciones de distancia de separación y, a partir de estas, ser compensada. En este caso, sin embargo, tendrá que aumentarse el número de mediciones para obtener la misma precisión.

Se observa por lo anterior que los requisitos previos para la navegación precisa en la Figura 2 son, entre otros: 1) un sistema de navegación de DR emplazado a bordo de la embarcación 1; 2) que la embarcación tenga que desplazarse una trayectoria de cierta longitud y dimensiones antes de conocer su posición absoluta actualizada; en tanto que 3), en retorno, tan solo se necesita un único transponedor 19 con una posición absoluta conocida.

Además de encuadres fiables de la posición en los puntos 15-18, el método de la presente invención proporciona información de posición precisa a lo largo de todo el recorrido 15-16-17-18-15, y, asimismo, durante algún tiempo a continuación del último encuadre, sometida a la calidad del sistema de navegación de DR. No es posible compensar por completo un error de rumbo del sistema de navegación de DR utilizando solo mediciones de alcance desde una fuente fija. Así, pues, se preferirá para uso con el sistema de la invención un sistema de navegación de DR de una calidad considerablemente más alta que los que se utilizan habitualmente en los sistemas de LBL.

Como los costes de semejante sistema de navegación de DR de “calidad extra alta” constituyen una inversión inicial, en tanto que la necesidad de varios transponedores en un sistema de LBL conlleva gastos de funcionamiento considerables en comparación con los de solo un transponedor, el método de la presente invención permitirá ahorros muy considerables en comparación con el sistema de navegación de LBL conocido.

En particular, los costes bastante onerosos de una embarcación de superficie necesaria, por lo común, para desplegar, calibrar y recuperar los muchos transponedores que se necesitan en el sistema de LBL conocido (típicamente, en torno a 30.000 US$ / día), pueden recortarse hasta un mínimo o ser eludidos por completo, tal y como se explicará más adelante.

En la Figura 3 se ilustra otro ejemplo de realización del método de la invención. Un vehículo subacuático no tripulado 1 se ha lanzado sobre la superficie 41 del mar, de un lago o de un río, y se ha dejado caer un transponedor 34 sobre el fondo 40 de esa misma masa de agua.

El vehículo 1 tiene unos medios de antena 30 y un receptor adecuado para recibir señales de radio de posición absoluta provenientes de un sistema de localización tal como el GPS. Con el fin de determinar la posición absoluta del transponedor 34, el vehículo 1 se desplaza a lo largo de un recorrido 42 que comprende un cierto número de posiciones 51-53, y, en cada posición, mide la distancia de separación 35-37 hasta el transponedor por medio de señales acústicas. La posición absoluta de la embarcación 1 de acuerdo con el sistema de localización basado en radio, se registra para cada una de las posiciones 51-53.

Por razones de claridad del dibujo, solo se han mostrado tres de tales posiciones, 51-53, con distancias de separación correspondientes 35-37. Incluso en el caso de que sean necesarias un mínimo de tres posiciones para determinar la posición exacta del transponedor, se preferirá, en cualquier caso, un número más alto.

Se determina ahora la posición del transponedor en tres dimensiones por triangulación, utilizando las líneas que interconectan o unen entre sí las posiciones 51-53 como líneas de base, conjuntamente con las mediciones de distancia de separación. Con el fin de proporcionar una cierta redundancia a las mediciones, el transponedor puede estar provisto de un indicador de profundidad, que proporciona

una información de profundidad a priori.

También, el transponedor puede estar equipado con sensores adicionales para estimar la velocidad del sonido que se ha de utilizar a la hora de convertir el retardo temporal en una medida de la distancia de separación.

El vehículo 1 se sumerge entonces (31) hasta casi el fondo marino 40 y se desplaza a lo largo de un recorrido 32 que comprende un cierto número de posiciones 54-56. En cada una de estas posiciones, se realizan mediciones de la distancia de separación 57-59 del vehículo al transponedor, de una forma similar a la explicada anteriormente con referencia a la Figura 2.

Como se ha determinado la posición absoluta del transponedor 34, pueden calcularse ahora las posiciones absolutas 5456, y es posible actualizar, en consecuencia, el sistema de navegación de DR del vehículo 1. El vehículo subacuático 1 puede ahora proseguir su recorrido deseado 33, siendo capaz de registrar de forma continua su posición absoluta estimada, de acuerdo con datos procedentes de su sistema de navegación de DR.

Con el sistema de navegación de DR así actualizado, se sabe que la posición proporcionada continuamente por este sistema es correcta dentro de un cierto error que se incrementa con el tiempo de una manera predecible, sometida a las calidades intrínsecas del sistema de navegación DR.

Se realizarán actualizaciones futuras del sistema de DR según sea necesario, incorporando el intercambio de señales acústicas con el transponedor 34, tal y como se ha explicado anteriormente con referencia a la Figura 2.

En la Figura 4 se ilustra el modo como puede supervisarse, de acuerdo con la invención, un área que se extiende mucho más allá del alcance acústico del transponedor.

De conformidad con la invención, la trayectoria de la embarcación sumergible se ha dispuesto de manera tal, que la embarcación volverá a encontrarse dentro del alcance del transponedor a intervalos regulares. De esta forma, el sistema de DR puede ser restituido o restablecido tan pronto como puedan haberse obtenido y analizado señales de respuesta procedentes del transponedor. Siempre y cuando se satisfaga este objetivo, la trayectoria puede disponerse de cualquier forma que sea conveniente para la aplicación en cuestión.

Es una característica en sí misma conocida de la mayor parte de los sistemas de navegación de DR que la navegación en una zona limitada provocará que algunas de las fuentes de errores intrínsecos se cancelen, mejorando el comportamiento de DR en términos de error de posición en relación con la distancia recorrida. Se observa fácilmente que el error de posición que surge de, por ejemplo, un error angular de rumbo fijo en el sistema de DR, se cancelará si el vehículo se desplaza a lo largo de una línea recta una cierta distancia y regresa, a continuación, a lo largo de la misma línea hasta su punto de partida. De hecho, esto se aplicará con independencia de la trayectoria efectuada. Puede demostrarse que se aplican condiciones similares a otras diversas formas de acumulación de errores en sistemas de navegación de DR.

En la Figura 4 se ilustra un ejemplo de disposición de una trayectoria adecuada para barrer un área de observación o supervisión subacuática 68, que hace uso de las características mencionadas.

Un vehículo subacuático 1 comenzará en la posición 60 y seguirá, inicialmente, un recorrido 61 tal como un bucle cerrado, actualizando su sistema de navegación de DR según se ha descrito anteriormente, frente a la posición absoluta conocida del transponedor 34 situado en el fondo marino o por encima de este. El alcance o distancia de separación acústica 81 del transponedor es bastante limitada en comparación con la extensión del área de supervisión 68, y se ilustra por un círculo 82 que tiene un radio 81 que es igual a dicha distancia de separación.

Con su sistema de navegación de DR así configurado, la embarcación continúa su supervisión a lo largo de un recorrido 67 que parte desde el transponedor y prosigue en direcciones 72, para retornar otra vez en direcciones opuestas 73. Las porciones en direcciones opuestas 72, 73 del recorrido 67 se encuentran, preferiblemente, descentradas una con respeto a la otra en una distancia 74 con el fin de barrer el área de supervisión 68 de un modo tan uniforme como sea posible. A lo largo del recorrido 67, el vehículo recogerá muestras o datos deseados, de acuerdo con el propósito de la misión en cuestión, por ejemplo, en las posiciones 62-66.

De acuerdo con la invención, la trayectoria 67 se dispone de tal manera que lleva de vuelta a las proximidades relativas del transponedor 34, por ejemplo, según se indica por la referencia 69. Aquí, el vehículo subacuático 1 intercambiará señales con el transponedor 34, recogiendo datos de distancia de separación para determinar su posición absoluta, según se ha explicado con referencia a la Figura 2. Esto se hace mientras el vehículo sigue un recorrido adecuado 69, el cual puede ser un bucle cerrado o, por ejemplo, una curva con un radio adecuado, según se indica en la Figura 4, que lleva el vehículo al curso apropiado para seguir el siguiente recorrido 70.

Como se observa en la Figura 4, el área de supervisión es barrida, en la realización que se ilustra, en cuadrantes consecutivos del área de supervisión, de manera que el vehículo 1 sigue los recorridos 67, 70, 71, etc., según se indica en la Figura 4.

Es una ventaja importante de este método de barrido el hecho de que la embarcación 1 se lleva de vuelta a las proximidades relativas del transponedor 34, de tal modo que la acumulación de errores de posición en el sistema de DR puede cancelarse mediante la actualización del sistema de DR con la posición absoluta, conocida, del transponedor 34.

Es una ventaja intrínseca de este método de exploración o barrido el hecho de los errores de posición que surgen en el sistema de navegación de DR del vehículo tienden a cancelarse conforme el vehículo, tras haber seguido uno de los recorridos 72, se da la vuelta y se desplaza en sentido contrario siguiendo un recorrido de curso opuesto 73, de manera que retorna a las inmediaciones de su punto de partida. De esta forma, el error de posición relativa de puntos estrechamente separados situados en líneas de direcciones opuestas será pequeño.

Debe apreciarse como una ventaja específica el hecho de que el recorrido 67 puede llegar hasta mucho más allá de la distancia 81 para la que puede haberse producido un contacto por señales acústicas entre la embarcación 1 y el transponedor 34.

La precisión fundamental del sistema se ve limitada por el hecho de que no es observable un error de rumbo fijo a partir de mediciones de distancia de separación con respecto a una fuente fija. De esta forma, el error de posición máximo esperado es, como mínimo, el error de rumbo en radianes, multiplicado por la distancia al transponedor. Así, pues, un error de rumbo de, por ejemplo, 0,5 milirradianes y una distancia máxima de 5 km equivaldrán a un error de posición de 2-5 m.

Los cuadrantes 70, 71, etc., se han barrido de una forma similar al barrido descrito del primer cuadrante 67. Entre el barrido de dos cuadrantes consecutivos 67, 70, se asegura que el vehículo 1 se desplace un recorrido adecuado 69 dentro de la distancia de separación 81 del transponedor 34, con lo que se permite que se tenga un encuadre de posición apropiado, y que el sistema de DR de la embarcación 1 se actualice en correspondencia.

Una persona experta en la técnica será capaz de idear trayectorias adecuadas con arreglo a los principios anteriormente explicados, para el propósito de supervisar áreas que no tienen una configuración cuadrada o rectangular, o en las que se tengan que considerar ciertas condiciones específicas.

Experimentos han relevado que un área de 10 km × 10 km (100 km2) puede ser supervisada hasta una precisión de menos de 4 m con el uso de un único transponedor en combinación con un sistema de DR, tal como el Sistema de Navegación Doppler-inercial “SeaNav” de tipo KN5053, fabricado por la Kearfott G&N.

Esta supervisión puede llevarse a cabo con ahorros económicos ciertamente muy considerables, en comparación con el sistema de LBL conocido, que incorpora un gran número de transponedores.

En la Figura 5 se ha ilustrado una realización particularmente ventajosa del método de la Figura 3. Esta realización es superior, entre otros, en áreas de observación o supervisión muy alargadas, tal como cuando se lleva a cabo una “Supervisión de línea”, es decir, la supervisión de una banda muy estrecha del fondo marino en la que se ha de sumergir, por ejemplo, un cable o una tubería.

En semejante supervisión, un vehículo sumergible que lleva a cabo la supervisión se desplazará, típicamente, a lo largo del emplazamiento solo una vez, registrando las características de, por ejemplo, el fondo marino.

Como la embarcación, de esta forma, nunca regresará o se desplazará ciertamente en sentido contrario, el método de la Figura 4 no será de ninguna utilidad. Puede utilizarse, en lugar de ello, la realización mostrada en la Figura 5 del método de acuerdo con la invención.

La embarcación sumergible 1 lleva un cierto número de transponedores 75 que pueden dejarse caer siguiendo órdenes de, por ejemplo, un centro de control tripulado. Uno de los transponedores 34 se deja caer (según se indica por la referencia 43) antes de que la embarcación descienda (31) hasta la profundidad operativa, y la posición del transponedor es calibrada por la embarcación 1 al desplazarse por un recorrido 42 al tiempo que recibe información de posición, tal como de GPS, a través de una antena 30, tal y como se ha explicado anteriormente con referencia a la Figura 3.

Una vez que ha descendido hasta su profundidad operativa, la embarcación se desplaza un recorrido 32 y determina su posición absoluta según se ha explicado anteriormente con referencia a las Figuras 2-3. Al ser actualizado ahora el sistema de navegación de DR de la embarcación 1, la embarcación 1 se pone manos a la obra con su misión y se desplaza un recorrido deseado 33.

Una vez que se ha cubierto una cierta distancia o ha transcurrido un cierto tiempo, el error predecible en la posición absoluta según se estima por el sistema de navegación de DR de la embarcación, ha llegado a una magnitud máxima predeterminada, y será necesario un nuevo encuadre de la posición para actualizar el sistema de DR.

A continuación, la embarcación sumergible 1 deja caer (44) uno, 45, de los transponedores 75 que transporta. La posición en la que el sistema de navegación de DR cree que se ha dejado caer el transponedor (la “posición relativa” del transponedor), es registrada, o, alternativamente, si esta no proporciona la precisión suficiente, se determina la posición “relativa” del transponedor por parte del vehículo al desplazarse este un recorrido según se ha descrito anteriormente y registrar mediciones de distancia de separación.

La embarcación sumergible asciende (según se indica por la referencia (46) a la superficie 41 y determina la posición absoluta del transponedor 45 que se ha dejado caer, desplazándose un recorrido 47, recibiendo señales de posición y efectuando mediciones de distancia de separación, de la misma manera que se ha descrito anteriormente con referencia al transponedor 34 que se dejó caer inicialmente.

La embarcación 1 desciende entonces (48), determina su posición absoluta desplazándose un recorrido 49 e intercambiando señales con el transponedor 45 que se ha dejado caer, y prosigue a continuación con su misión (50).

La posición absoluta del transponedor, al ser ahora conocida, hace posible determinar el error de posición previo a la toma de superficie, al comparar la posición relativa del transponedor en el instante (44) en que se dejó caer con la posición relativa del transponedor tras la reciente actualización del sistema de DR, estando ahora esta última posición relativa referida al sistema de localización absoluto que se emplea en la superficie.

Como el error de posición es, a menudo, una función lineal aproximada del tiempo y/o de la distancia, es posible determinar la trayectoria real entre los transponedores (34, 35) con una precisión muy elevada mediante el tratamiento ulterior de los datos. Típicamente, este esquema tratamiento ulterior será capaz de compensar más del 90% del error de posición acumulado entre los encuadres del transponedor.

De acuerdo con la invención, pueden transportarse y dejarse caer transponedores en cualquier número necesario para llevar a cabo la misión en cuestión con cualquier precisión que se desee para la posición, dentro de las limitaciones mayormente en cuanto a la carga útil embarcación sumergible 1 y a la capacidad de las baterías.

Para compensar el cambio de flotabilidad ocasionado al dejar caer un transponedor, el vehículo subacuático puede estar equipado con un sistema de flotabilidad variable en sí mismo conocido. Alternativamente, puede soltarse un objeto que tenga una flotabilidad positiva conjuntamente con cada transponedor.

La realización de la Figura 5 de una supervisión subacuática tiene una ventaja muy particular por cuanto que puede llevarse a cabo sin necesidad de utilizar, en absoluto, una embarcación de superficie. La embarcación sumergible 1 puede ser lanzada por medio de un helicóptero, de tal manera que la embarcación lleva el número requerido de transponedores en su lanzamiento. Concluida la misión, la embarcación es recuperada también por el helicóptero al tomar superficie. Los costes de dichas dos misiones de helicóptero son muy inferiores a los de una misión de un barco de superficie, fundamentalmente debido a las duraciones mucho más cortas de las primeras.

Los transponedores pueden ser preprogramados para hacer superficie al soltar un lastre tras un tiempo predeterminado o a una orden adecuada. De acuerdo con una realización preferida de la invención, se prefiere, sin embargo, dejar que la embarcación 1 recoja el transponedor inmediatamente después de la actualización de su sistema de DR; de esta forma, puede requerirse tan solo un único transponedor para toda la misión.

En una realización preferida del método de acuerdo con la invención, el vehículo subacuático, además de la distancia de separación, calcula la velocidad de cambio de la distancia de separación (la “Velocidad de variación de distancia de separación”) a partir de la señal de respuesta acústica enviada desde el transponedor al ser interrogado desde el vehículo.

En una solución se hace uso del hecho de que la velocidad de variación de distancia de separación es proporcional al corrimiento Doppler de frecuencia de la señal de respuesta y puede ser calculada a partir de dicho corrimiento Doppler de frecuencia. El corrimiento Doppler de frecuencia es mensurable puesto que la frecuencia de la señal de respuesta procedente del transponedor es conocida a priori.

Una solución alternativa sería utilizar técnicas de intercambio de señales de espectro extendido, según se describe en el pliego de conferencia de T. C. Austin: “La aplicación de técnicas de intercambio de señales de espectro extendido en la navegación acústica subacuática” (“The Application of Spread Spectrum Signalling Techniques to Underwater Acoustic Navigation”), AUV ’94, IEEE Proceedings of the 1994 Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology [Procedimientos de IEEE del Simposio de 1994 sobre tecnología de vehículos subacuáticos autónomos], 1994, págs. 443-449. En ese caso, la señal de respuesta del transponedor 34 incluiría impulsos de espectro extendido, por ejemplo, con una codificación particular tal como un Código de Baker o Códigos de Gold, de tal modo que los impulsos están separados por un lapso de tiempo fijo y conocido T de, por ejemplo, 0,1 s, 1 s o 5 s.

La separación en el tiempo de llegada Tm de dichos impulsos de espectro extendido será detectada por el hidrófono del vehículo y por los circuitos detectores de espectro extendido asociados. Se obtiene entonces la discrepancia dT = Tm – T, que se utiliza para calcular la velocidad de cambio de la distancia o “velocidad de variación de distancia de separación” (RR –“Range Rate”): RR = dT/T × vs, donde vs es la velocidad del sonido. Pueden contemplarse otras maneras de determinar la velocidad de variación de distancia de separación a partir de la(s) señal(s) de respuesta acústica(s), y/o serán familiares para la persona experta en la técnica.

Como se explicará a continuación con referencia a la Figura 6, esta realización de la invención permite un comportamiento enormemente mejorado a la hora de determinar la posición absoluta bajo el agua del vehículo 1. En principio, la recepción de tan solo una o dos señales desde el transponedor bastará para obtener un registro de la posición en tres dimensiones del vehículo con respecto al transponedor.

En particular, el vehículo subacuático será capaz de determinar la posición absoluta cerca del límite de alcance de las señales acústicas sin tener que realizar una trayectoria prolongada para hacer posible una línea de base larga. Esto es debido a que la velocidad de variación de distancia de separación proporciona información significativa acerca de la dirección del transponedor, que es complementaria de la información de distancia de separación proporcionada por el retardo temporal, e independiente de esta.

Suponiendo que el vehículo 1 tiene un indicador de velocidad absoluta tal como, por ejemplo, un indicador de velocidad Doppler que mide el vector velocidad sobre el fondo marino en la dirección del eje del vehículo, u otros medios para medir dicho vector velocidad, así como un sensor de altitud tal como, por ejemplo, un compás magnético o giroscópico o un INS, el vector velocidad V del vehículo será conocido en su dirección así como en su magnitud.

Ahora, la velocidad v del vehículo 1 hacia el transponedor 34 es igual a menos dicha velocidad de variación de distancia de separación determinada. Dicha velocidad v también es igual a la magnitud de V multiplicada por el coseno del ángulo α formado entre el vector velocidad V y la dirección hacia el transponedor 34, es decir, el producto escalar o “de punto” de V y un vector unitario en la dirección que va desde la embarcación hacia el transponedor.

En consecuencia, el transponedor 34 estará situado en la superficie de un cono que tiene su vértice situado en el hidrófono 10 del vehículo 1 y su eje coincidente con el vector velocidad V. Esta superficie cónica se ha ilustrado esquemáticamente en la Figura 6 por las dos líneas L, M.

Por otra parte, el transponedor 34 estará situado en la superficie de una esfera S que tiene su centro en el hidrófono 10 y un radio r igual a la distancia de separación (distancia) computada al transponedor.

Estos dos criterios definen un círculo C (la intersección de dicha superficie cónica con dicha superficie esférica) que está incluido en el plano P e interseca o corta el plano del papel de la Figura 6 en dos puntos A, B. El círculo C se ha ilustrado esquemáticamente en la Figura

6.

Como la profundidad del transponedor es conocida (por ejemplo, por la triangulación inicial o por datos de telemetría procedentes de un sensor de presión acumulativa), este estará situado en un plano horizontal D, el cual corta el mencionado círculo en dos puntos, que son las posibles posiciones del transponedor según se observa desde el vehículo subacuático 1.

Se cree que la distinción entre el verdadero y el falso de estos dos puntos es muy fácil, ya que la posición absoluta virtual (la posición absoluta según es estimada por medio del método de la invención) del punto falso cambiará de una medición a otra, conforme cambie el vector velocidad. También, una vez que se ha establecido qué punto es el verdadero, se registrará la posición absoluta de este punto y la distinción entre puntos futuros verdaderos y falsos será muy fácil.

De acuerdo con ello, en esta realización de la invención, tan solo bastarán muy pocos, póngase por caso dos o tres, registros para establecer la posición absoluta en tres dimensiones del vehículo 1 (al ser conocida a priori la posición absoluta del transponedor en tres dimensiones), y las futuras actualizaciones del sistema de navegación de DR del vehículo pueden llevarse a cabo, cada una de ellas, con tan solo una o muy pocas llamadas al transponedor. Esto traerá consigo ahorros de funcionamiento considerables así como una precisión en gran medida incrementada de la navegación bajo el agua.

El dibujo de la Figura 6 es solo esquemático; por supuesto, el vector velocidad V y el transponedor 34 no se encontrarán normalmente, ambos, en el plano del papel y, por tanto, el plano P no será normalmente ortogonal al plano del papel. Asimismo, la profundidad (D –“Depth”) del transponedor se ha ilustrado de modo que es coincidente con el punto más bajo del círculo C, lo que no será normalmente el caso.

Otra realización preferida del método de la invención se ha ilustrado en la Figura 7. Aquí, la estación de referencia es una boya 76 que flota sobre la superficie 41 de la masa de agua y que tiene una antena 77 destinada a recibir datos de posición absoluta desde, por ejemplo, el GPS, así como un altavoz 78 para transmitir datos acústicos al seno del agua. La boya puede estar anclada, puede ser arrastrada con un vector velocidad U, o bien su movimiento puede ser controlado por un dispositivo de propulsión, de acuerdo con la naturaleza de la masa de agua y de la misión en cuestión. La boya puede ser impulsada por baterías, por el viento o por energía solar, por un equipo generador o por cualquier combinación de los mismos.

De acuerdo con la invención, la boya 76 recibe de forma continua datos de posición y de velocidad absolutas y, preferiblemente, también información temporal precisa a través de la antena 77. Esta transmite estos datos acústicamente al seno del agua a través del altavoz

78.

Una embarcación sumergible 1 se desplaza sumergida con un vector velocidad V; esta tiene un hidrófono 10 y recibe, a través de este, los datos transmitidos desde la boya. La embarcación también registra el corrimiento Doppler de una señal acústica proveniente de la boya 76 con el fin de obtener información de velocidad de variación de distancia de separación, preferiblemente el corrimiento Doppler de una frecuencia portadora incluida en la señal y que tiene una cierta frecuencia conocida. Alternativamente, la embarcación determina la velocidad de variación de distancia de separación mediante una técnica de intercambio de señales de espectro extendido, según se ha descrito en el ejemplo de realización anterior.

Por otra parte, la embarcación 1 puede utilizar información de profundidad proporcionada por un indicador de profundidad o un sensor de presión situado a bordo de la embarcación 1.

Por último, la embarcación 1 está equipada con un reloj de precisión, que se ha sincronizado con anterioridad con una base de tiempos de la boya, preferiblemente la base de tiempos empleada por el sistema de localización vía satélite.

De acuerdo con la invención, se procesa o trata, preferiblemente, la siguiente información en el sistema de control o computadora de la embarcación:

1) La posición y la velocidad absolutas de la boya, que están comprendidas en la señal recibida;

2) Información de distancia que se obtiene de la diferencia entre la información temporal contenida en la señal recibida y el instante de recepción de la señal;

3) Información de velocidad de variación de distancia de separación, es decir, la velocidad de cambio de la distancia entre el vehículo 1 y la boya 76, que es igual a la proyección de (V−U) en la dirección de la posición de la boya, en el instante de la transmisión, estando U y dicha posición comprendidas en la señal recibida;

4) Información de profundidad, según se proporciona por un indicador de profundidad dispuesto en la embarcación 1;

5) El vector velocidad absoluta de la embarcación, según se proporciona por el indicador de velocidad de la embarcación y la referencia de rumbo; y

6) La estimación de posición obtenida del sistema de navegación de DR.

Las matemáticas necesarias para determinar dos posibles posiciones absolutas de la embarcación, se corresponden ahora directamente con las utilizadas con referencia a la Figura 6, y se determina una posición inequívoca casi tan fácilmente como en ese caso, al ser el movimiento de la boya conocido por la embarcación a partir del contenido de las señales acústicas.

Esta realización de la invención tiene numerosas ventajas. En primer lugar, una boya es más fácil de desplegar y de recoger que un transponedor, y, en particular, no necesita ser calibrada, teniendo acceso, por ejemplo, a datos de GPS. En segundo lugar, no se transmite ninguna señal desde la embarcación sumergida. Esto tendrá su importancia en aplicaciones militares y servirá también para ahorrar energía a bordo. En tercer lugar, si la boya está siendo arrastrada, será posible, de hecho, determinar la posición absoluta de una embarcación sumergida estacionaria utilizando el método que se acaba de explicar.

No es un requisito absoluto de esta realización que la boya transmita información de velocidad. En lugar de ello, pueden utilizarse únicamente mediciones de distancia de separación para calcular la

posición absoluta del vehículo subacuático.

Por otra parte, la boya puede transmitir datos de movimiento adicionales como, por ejemplo, la aceleración, que pueden ser utilizados por la embarcación para determinar la posición. Puede apreciarse que la boya será muy similar a las boyas mencionadas en la Patente norteamericana Nº 5.119.341.

Por otra parte, no es un requisito ineludible que el vector velocidad absoluta del dispositivo sea conocido. Si únicamente se conoce el vector velocidad con respecto a la masa de agua, es posible estimar también la corriente marina a expensas de una precisión reducida o un número incrementado de mediciones.

Se explicará en lo que sigue una realización del método de la invención ilustrada en la Figura 8: Una estación de referencia en la forma de una unidad 79 que transmite de manera autónoma señales acústicas cortas (“percusiones”) desde un altavoz 80 a intervalos y frecuencias fijos y conocidos, un denominado Emisor de sonda acústica

o “Percutor”, o baliza acústica, se encuentra situado en o cerca del fondo marino 40. Un vehículo subacuático 1 que tiene un hidrófono 10 está navegando con un vector velocidad V dentro del alcance de audición del percutor.

Suponiendo que se dispone de relojes de precisión tanto en el percutor como en la embarcación sumergible, los tiempos de recepción de las percusiones constituirán pseudomediciones de la distancia de separación. A medida que la embarcación sumergible sigue desplazándose, se establecen más pseudovalores de la distancia de separación. Se observa que el problema matemático de determinar la posición del percutor en el sistema de coordenadas relativas del sistema de navegación de DR, es equivalente al problema conocido de los pseudovalores de distancia de separación del GPS, y puede ser resuelto, por ejemplo, utilizando un algoritmo de mínimos cuadrados, un filtro de Kalman, o la solución algebraica proporcionada en la divulgación de Stephen Bancroft: “Una solución algebraica de las ecuaciones de GPS” (“An Algebraic Solution of GPS Equations”), IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems [Transacciones de IEEE sobre sistemas aerospaciales y electrónicos], Vol. AES-21, Nº 7, enero de 1985, págs. 56-59. Como se ha descrito en la realización anterior, puede calcularse también la velocidad de variación de distancia de separación

y utilizarse para determinar la posición relativa de la baliza.

Suponiendo que la posición absoluta del percutor ha sido determinada desde la superficie, se calcula, a continuación, el descentramiento del sistema de navegación de DR restando las posiciones del transponedor en el sistema de coordenadas de DR y en el sistema de coordenadas absolutas, y se determina, de aquí, la posición absoluta de la embarcación sumergible.

Como una ventaja principal de utilizar un percutor figura el hecho de que éste es mucho más barato que un transponedor 34 o una boya 76 de los tipos mencionados, y no es necesario que esté sujeto a grandes exigencias. De acuerdo con ello, las estabilidades de su frecuencia e intervalos de señal pueden no ser utilizables como base para las mediciones.

Similarmente a las realizaciones anteriores, pueden estimarse en cierta medida parámetros desconocidos tales como, por ejemplo, el intervalo y la frecuencia de la baliza, como parte del procedimiento. Sin embargo, la estimación de parámetros adicionales requerirá mediciones adicionales y puede imponer algunas limitaciones en el patrón de movimiento del vehículo con el fin de hacer posible la capacidad de observación.

De esta forma, las simulaciones experimentales han demostrado que, siempre y cuando se haya instalado una potencia de computación adecuada a bordo del vehículo subacuático, y a condición de que pueda suponerse una estabilidad de frecuencia a corto plazo del percutor, será posible determinar la posición absoluta del vehículo a partir de una señal de percutor de baja calidad.

En la situación extrema en la que no se dispone de ninguna información por lo que respecta a la posición absoluta o la profundidad del percutor, ello requerirá, en su lugar, muchos registros de conjuntos de las variables disponibles, los cuales comprenderán:

- La profundidad del vehículo;

-El vector velocidad absoluta del vehículo (tres dimensiones y magnitud), o el vector velocidad con respecto a la masa de agua;

- La frecuencia de la señal acústica del percutor recibida y

las desviaciones de frecuencia a corto plazo. Cuando estas variables son registradas al tiempo que el vehículo se desplaza en un recorrido que se hace variar apropiadamente por lo que respecta al curso, profundidad, ascensión y velocidad, será posible, de acuerdo con las simulaciones mencionadas, resolver el problema matemático de determinar la posición absoluta del vehículo 1.

Por supuesto, cualquier información suplementaria tenderá a permitir que el problema matemático se resuelva más rápidamente y con un desplazamiento menos elaborado del vehículo; tal información podría ser que la frecuencia del percutor es, en efecto, estable, o, posiblemente, incluso conocida de antemano. Huelga decir que si la posición absoluta del percutor es también conocida, el problema se resuelve fácilmente.

En los casos en que el área de observación o supervisión haya de ser supervisada más de una vez, apenas será ventajoso recoger los transponedores después de utilizarlos, tal y como se ha descrito con referencia a la Figura 5. En tales casos, por ejemplo, cuando se ha de vigilar regularmente una tubería, póngase por caso una vez al año, será preferible dejar que los transponedores soltados permanezcan en su lugar, listos para ser utilizados en misiones futuras. Como la posición de dichos transponedores no cambia, es una ventaja evidente tener la posibilidad de reutilizar los mismos transponedores en misiones futuras.

Se explicará a continuación, con referencia a la Figura 9, un ejemplo de una realización preferida del método de la invención para la supervisión de tuberías, cables de potencia, cables de telecomunicaciones u otras instalaciones subacuáticas con una configuración alargada.

La trayectoria 83 de una instalación 84 es conocida a priori con una cierta precisión, por ejemplo, de 10 m. Siguiendo los procedimientos anteriormente descritos y utilizando transponedores 8588, la instalación 84 es supervisada inicialmente (según se indica por la referencia 33) por un vehículo 1 utilizando, por ejemplo, una instalación 89 de sónar de batimetría de barrido lateral o de barrido a lo ancho, que tiene una “huella” 90 sobre el fondo marino suficientemente ancha como para garantizar que la instalación 84 es cubierta a pesar de dicha incertidumbre en su posición absoluta y del error de navegación predecible del vehículo subacuático 1.

En la presente realización de la invención, dicha supervisión inicial puede llevarse a cabo utilizando transponedores 85-88 previamente desplegados y calibrados con anterioridad, en cuyo caso se obtienen encuadres 88 de posición a través de mediciones 91 de distancia de separación siempre que se pasa por un transponedor, siguiendo el procedimiento anteriormente explicado con referencia a la Figura 2, a fin de actualizar el sistema de navegación de DR.

En cualquier caso, las distancias 93 entre transponedores consecutivos 86-88 han de ser tales, que la precisión de la navegación en tiempo real del vehículo 1 entre los encuadres de posición proporcionados por medio de mediciones de distancia de separación desde puntos 98 en la supervisión inicial y en supervisiones subsiguientes, sea suficiente para que el sensor de supervisión 89, por ejemplo, un sonar de barrido lateral, detecte la instalación 84, y puede ser, por ejemplo, de 10 km en el caso de que se esté utilizando un sistema de navegación de DR de muy alta precisión. El tratamiento ulterior de los datos de posición según se ha descrito anteriormente proporcionará una estimación excelente de la trayectoria real 33 del vehículo subacuático 1 durante la observación o supervisión inicial.

La trayectoria absoluta 83 de la instalación 84 se determinará a continuación por el análisis de las imágenes de sonar que se han obtenido de la instalación 84 durante dicha supervisión inicial. Los transponedores 85-86 permanecen en el fondo marino para ser utilizados en subsiguientes supervisiones de la instalación.

En ulteriores supervisiones, un vehículo subacuático 100 es gobernado de manera que sigua una trayectoria 94 que se ha calculado a partir de la trayectoria previamente determinada 33 con el fin de seguir más estrechamente la instalación 84 y, con ello, permitir que sensores de observación 95 de corto alcance, tales como, por ejemplo, una cámara de vídeo, una cámara acústica, un sonar de batimetría de barrido a lo ancho

o un escáner de láser (buscador de alcance), detecten la instalación 84 desde una distancia de separación más corta.

Los encuadres de posición se obtienen por medio de mediciones 96 de distancia de separación desde puntos 97 siempre que el vehículo subacuático 1 pasa dentro del alcance acústico de un transponedor 85-88. Puesto que las trayectorias 33, 94 pueden ser casi líneas rectas, un encuadre de posición será ambiguo en cuanto a su ubicación en el lado de babor o de estribor del transponedor (según se observa en la dirección de desplazamiento del vehículo 1, 100). Sin embargo, esta ambigüedad se resuelve fácilmente utilizando un conocimiento previo de las posiciones de los transponedores 86-88.

El seguimiento de la trayectoria de supervisión 94 con la precisión requerida, por ejemplo, entre 1 m y 2 m, resulta un cometido muy exigente incluso para un sistema de navegación de DR de muy altas prestaciones. Sin embargo, puesto que el error de posición de dichos sistemas de navegación de DR de altas prestaciones es casi una función lineal, es decir, muy sistemática, del tiempo y la distancia, especialmente en el caso de una trayectoria casi rectilínea, será posible actualizar dicho sistema de navegación de DR después de haber obtenido encuadres de posición con respecto a dos transponedores 85, 86 con posiciones absolutas conocidas.

Esta actualización proporcionará, típicamente, una mejora multiplicada por diez en la precisión del rumbo, permitiendo que se naveguen distancias prolongadas, por ejemplo, de 10 km, entre encuadres de posición, con la precisión requerida, por ejemplo de entre 1 m y 2 m. Puede resultar ventajoso desplegar dos transponedores 85, 86 con un intervalo reducido 92 al comienzo de la supervisión, con el fin de permitir que se lleve a cabo una primera actualización sin tener que desplazarse toda la distancia 93 comprendida ente los transponedores 86-88. Además, puede transitarse un recorrido inicial del tipo 32 (Figuras 3 y 5) por parte de la embarcación, según sea necesario.

De acuerdo con una realización adicional de la invención, será posible navegar durante periodos de tiempo prologados y en áreas o distancias ampliadas, por medio de al menos dos embarcaciones sumergibles en cooperación. Esto permitirá la supervisión autónoma de un área muy grande o de una línea muy larga sin necesidad de transponedores de referencia o de un barco de supervisión.

En esta realización, cada una de las embarcaciones sumergibles en cooperación tiene medios de antena y un receptor adecuado para recibir datos de posición absoluta procedentes de un sistema de localización tal como el GPS. Cada embarcación sumergible tiene también un altavoz para transmitir datos acústicos al seno del agua.

A intervalos regulares, una de las embarcaciones sumergibles asciende a la superficie, desde donde transmite datos de posición, de velocidad y de tiempo al seno del agua por medio de su altavoz, de la misma manera que se ha explicado para la boya 76 (figura 7). Estos datos son recibidos por la otra embarcación sumergida según se ha descrito con referencia a la Figura 7, y se utilizan para actualizar el sistema de DR de esa embarcación.

Cada una de las embarcaciones sumergibles puede estar

5 equipada, de manera adicional, con medios generadores capaces de recargar las baterías de la embarcación siembre y cuando la embarcación se haga tomar superficie. Puede conseguirse de este modo una navegación absoluta de precisión en distancias de separación muy prolongadas, incluso, por ejemplo, una supervisión transatlántica.

10 También, los vehículos pueden comunicarse con una estación de tierra o con un operador vía satélite o por medios de comunicación por radio de superficie, mientras se encuentran en la superficie. Incluso aunque en la descripción precedente y en las reivindicaciones que se acompañan se ha hecho referencia a la

15 navegación bajo la superficie del mar, nada impedirá que la invención se utilice en otros medios en los que las señales de los sistemas de navegación basados en radio que se utilizan generalmente, no se propaguen de manera eficiente. Aun aunque en la descripción precedente y en las

20 reivindicaciones que se acompañan se ha hecho referencia únicamente al empleo de la invención en una embarcación sumergible, nada impedirá que la invención sea de utilidad en otros tipos de unidades sumergibles cuyas posiciones deban determinarse.

25

30

35

Claims (28)

1. Un método para determinar la posición absoluta bajo el agua de una embarcación sumergible (1) que tiene un sistema de navegación de reconocimiento aislado o incomunicado, que no recibe información de posición desde el exterior de la embarcación, de tal manera que la embarcación recibe señales acústicas procedentes de una estación de referencia (34) que tiene una posición absoluta conocida, y calcula su distancia de separación desde la estación de referencia,

caracterizado por que

se reciben señales procedentes de una estación de referencia

(34) en dos o más posiciones de la embarcación (1); por que se obtienen datos de velocidad de cambio de la distancia (la velocidad de variación de distancia de separación) de la embarcación, a partir de dichas señales acústicas; y por que se calculan posiciones absolutas estimadas de la embarcación utilizando dicha distancia de separación calculada y dicha velocidad de variación de distancia de separación, y utilizando datos de posición relativa procedentes del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado.

2.

Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos datos de velocidad de variación de distancia de separación se deducen de grabaciones o registros de corrimientos Doppler en frecuencias de las señales acústicas procedentes de la estación de referencia.

3.

Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos datos de velocidad de variación de distancia de separación se deducen de discrepancias temporales en los tiempos de llegada de impulsos de espectro extendido incluidos dentro de las señales acústicas procedentes de la estación de referencia.

4.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual se reciben señales y se procesan

o tratan datos a cortos intervalos de tiempo, lo que hace posible una estimación sustancialmente continua de la posición absoluta.

5.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual se estima la posición de la estación de referencia (19; 34; 45; 76) en un sistema de coordenadas

relativas de dicho sistema de navegación de reconocimiento incomunicado.

6.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual los datos de posición absoluta estimada se utilizan para actualizar los datos de posición relativa del sistema de reconocimiento incomunicado.

7.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual se realizan estimaciones de parámetros intrínsecos a la naturaleza del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado, tales como las corrientes marinas, y los datos de posición relativa procedentes del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado son compensados por la estimación de dichos parámetros.

8.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual se utiliza un algoritmo de mínimos cuadrados para determinar los valores de las estimaciones.

9.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual se utiliza un filtro de Kalman para determinar los valores de las estimaciones.

10.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual dichas estimaciones se realizan, adicionalmente, utilizando información sobre la profundidad de la estación de referencia.

11.

Un método para explorar o barrer un área de supervisión subacuática (68) por medio de una embarcación sumergible (1) que se desplaza por un recorrido deseado, de tal manera que la embarcación tiene un sistema de navegación de reconocimiento incomunicado que no recibe información de posición desde el exterior de la embarcación, en el cual la embarcación recibe señales acústicas desde una estación de referencia (34) que tiene una posición absoluta conocida, y calcula su distancia de separación desde la estación de referencia,

caracterizado por que

la posición absoluta de la embarcación se determina de forma intermitente de acuerdo con el método de la reivindicación 1.

12.

Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual el área se extiende más allá del alcance operativo (81) de la estación de referencia (34), y la trayectoria (67; 70; 71) pretendida para la

embarcación se dispone de manera que lleve la embarcación dentro de dicho alcance operativo a intervalos uniformes de tiempo.

13.

Un método de acuerdo con la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en el cual la trayectoria pretendida para la embarcación se dispone de manera que lleve la embarcación dentro de una distancia mínima a cada punto del área.

14.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la estación de referencia está situada en una posición absoluta fija.

15.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la posición absoluta de la estación de referencia (34) se determina por la embarcación sumergible, en la superficie del agua, al recoger esta datos de posición absoluta en un cierto número de posiciones (51-53) con respecto a un sistema de localización utilizable en la superficie del agua, y al recibir, mientras está en la superficie, señales acústicas provenientes de la estación de referencia, y calcular datos de distancia de separación a partir de dichas señales, de manera que los datos de posición y de distancia de separación se procesan o tratan, preferiblemente, a bordo del vehículo.

16.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la estación de referencia (45) se lanza (44) desde la embarcación sumergible (1).

17.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la estación de referencia es recogida por la embarcación sumergible tras estimar una posición absoluta.

18.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la estación de referencia comprende un transponedor acústico.

19.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-17, en el cual la estación de referencia comprende una baliza acústica.

20.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, pero, sin embargo, sin dependencia de la reivindicación 15, en el cual la estación de referencia se sitúa en la superficie del agua, preferiblemente en una boya (76) o en una embarcación.

21.

Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual la estación de referencia (76) recibe datos de posición absoluta desde un sistema de localización utilizable en la superficie del agua, y reemite dichos datos a la embarcación sumergible.

22.

Un método de acuerdo con la reivindicación 20 o la reivindicación 21, en el cual la estación de referencia (76) intercambia datos de comunicación con un sistema de comunicación utilizable en la superficie del agua, y, preferiblemente, intercambia también dichos datos con la embarcación sumergible.

23.

Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20-22, en el cual la estación de referencia se coloca en una embarcación sumergible que se sitúa en superficie durante el uso de la estación de referencia.

24.

Un sistema para determinar la posición absoluta bajo el agua de una embarcación sumergible (1) por medio del método de acuerdo con la reivindicación 1, de tal modo que el sistema comprende:

-

una estación de referencia (34), que tiene medios de comunicación acústica;

-

medios de comunicación acústica emplazados a bordo de la embarcación;

-un sistema de navegación de reconocimiento incomunicado, emplazado a bordo de la embarcación;

estando el sistema caracterizado por que

comprende adicionalmente medios de computación,

preferiblemente emplazados a bordo de la embarcación y destinados a estimar datos de posición absoluta a partir de dos o más recepciones de señales procedentes de una misma estación de referencia, conjuntamente con datos de posición relativa procedentes del sistema de navegación de reconocimiento incomunicado, y configurados para obtener la velocidad de cambio de la distancia (la velocidad de variación de distancia de separación) de la embarcación desde la estación de referencia, a partir de dichas señales acústicas.

25.

Un sistema de acuerdo con la reivindicación 24, en el cual el sistema de reconocimiento incomunicado comprende un Sistema de Navegación Inercial.

26.

Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 o 25, en el cual el sistema de reconocimiento

incomunicado comprende:

-

un cierto número de giróscopos;

-

un cierto número de acelerómetros;

-

un indicador Doppler de velocidad con respecto al suelo;

5 - un sensor de medición directa o indirecta de la velocidad del sonido; y

-un sensor de presión.

27. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24-26, en el cual la embarcación sumergible está

10 configurada para transportar un cierto número de estaciones de referencia (45) y para lanzar (44) las estaciones de forma independiente.

28. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24-27, en el cual la embarcación sumergible está configurada para recoger un cierto número de estaciones de referencia.

15 29. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24-28, en el cual las estaciones de referencia son transponedores o boyas acústicas que descansan sobre el fondo del mar o están suspendidas por encima de un ancla que descansa en el fondo del mar.

20 30. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24-28, en el cual las estaciones de referencia (76) están situadas en boyas o embarcaciones que flotan sobre la superficie del agua.