Océano digital: hacer que los datos submarinos sean más fácilmente accesibles

Por Tom Mulligan • 12 marzo 2018

El especialista en acústica submarina y comunicaciones digitales con sede en el Reino Unido, Sonardyne International, ha sido un jugador importante en el sector de energía offshore durante muchos años. Su cartera de tecnología se ha aplicado al posicionamiento de alta precisión de estructuras y equipos, a la navegación de vehículos no tripulados, sistemas de comunicación digital acústica y óptica, a la supervisión de activos y al registro de datos y para imágenes submarinas de alta resolución. Con millones de dólares gastados diariamente, las compañías del sector de petróleo y gas son los clientes más exigentes, ya que esperan altos niveles de confiabilidad y robustez, operaciones altamente eficientes y soporte de proveedores en los entornos más duros. Fue este nivel de expectativa lo que impulsó la investigación de Sonardyne y el desarrollo de nuevas tecnologías de comunicación para su uso en el entorno submarino.

La seguridad marítima es también un mercado clave para la empresa, con variaciones tecnológicas y de aplicación similares a las del sector del petróleo y el gas, lo que demuestra la adaptabilidad de su tecnología a una amplia variedad de áreas de aplicación diferentes, incluida la ciencia oceánica, exploración , acuicultura y otros mercados similares.

Plataformas Tecnológicas - Acústica

Sonardyne ha desarrollado una plataforma de comunicaciones digitales de banda ancha líder en la industria en la que se basan la mayoría de los sistemas acústicos de la compañía, que ahora se encuentra en su sexta generación (6G). El producto 'pin-up' para esta tecnología es el transpondedor de computación y telemetría (Compatt 6), un instrumento altamente adaptable y configurable que se utiliza en una amplia gama de aplicaciones. Está compuesto por un transductor acústico con diferentes opciones de banda de frecuencia y ancho de haz, procesadores avanzados, baterías, un mecanismo de liberación opcional y un conjunto de sensores de calidad científica. En total, hay más de 3.000 configuraciones posibles de Compatt 6. Estas son algunas de las formas en que se utilizan:

Posicionamiento : implementado con otros transpondedores en el fondo del mar, Compatt 6 se utiliza como referencia para el posicionamiento Long BaseLine (LBL), un concepto similar en operación al posicionamiento global sobre el agua, es decir, GNSS. LBL usa rangos medidos por cálculos acústicos de "tiempo de vuelo" para determinar con alta precisión la posición de un vehículo o estructura usando trilateración. Compatt 6 también se puede usar en aplicaciones de posicionamiento dinámico (DP) de barco usando un transceptor Ultra-Short BaseLine (USBL) desplegado desde un barco, los rangos acústicos medidos desde las referencias del fondo marino que se utilizan para ayudar al buque / estación de mantenimiento de la plataforma petrolera por encima de un aceite bien o estructura submarina. Finalmente, como transpondedor móvil, Compatt T6 se puede conectar a un vehículo o estructura para interrogar acústicamente una red de LBL Compatt 6s para calcular su posición, o puede rastrearse desde la superficie mediante USBL.

PIES : la unidad de ecosonda de presión invertida (PIES) es una variante de Compatt 6 que obtiene la velocidad de sonido promedio de una columna de agua midiendo tanto la presión como el tiempo necesario para que una señal acústica transmitida se refleje en la superficie del mar. La unidad también es capaz de medir otras propiedades oceánicas como la temperatura local, las variaciones de profundidad / marea, el paso / balanceo de la unidad y la duración de la batería de la unidad. Las unidades PIES almacenan datos procesados ​​y sin procesar en una tarjeta de memoria interna: estos datos pueden recuperarse acústicamente (p. Ej. Desde un vehículo submarino o desde la superficie) mientras el transpondedor se implementa o recupera en serie una vez que la unidad se libera remotamente y se devuelve a la superficie.

Monitoreo Autónomo : Un Transpondedor de Monitoreo Autónomo (AMT) tiene toda la funcionalidad de un Compatt 6 con la adición de un registro autónomo y mensajes de texto, y se puede configurar para registrar de manera autónoma los datos del sensor y de referencia a intervalos definidos por el usuario. Los datos se registran en una tarjeta SD que se recupera acústicamente mientras el transpondedor todavía se implementa o en serie una vez que se ha recuperado el transpondedor, haciendo que el sistema sea útil para operaciones como el monitoreo a largo plazo del asentamiento del lecho marino y el movimiento de la placa tectónica.

Fetch - El sistema autónomo inalámbrico de nodo de registro de sensor de Sonardyne Fetch proporciona la misma funcionalidad que un transpondedor AMT pero está alojado en una esfera de vidrio para proporcionar una excelente resistencia a la corrosión para despliegues a largo plazo. El diseño de la carcasa y el soporte incorporado permite que el instrumento se despliegue en 'caída libre' para aterrizar en posición vertical, lo que reduce el tiempo y el costo de implementación. Las principales aplicaciones de las unidades AMT / Fetch son la deformación del lecho marino y el monitoreo ambiental y el seguimiento de los cambios de placas tectónicas, los terremotos submarinos y, cuando se asoció con una boya de comunicación de superficie de comunicación, la detección de tsunamis.

Transpondedor de registro y registro de monitoreo submarino (SMART) : SMART se ha desarrollado para cubrir aplicaciones complejas de monitoreo de activos. También forma parte de la gama de productos Sixth Generation (6G) de Sonardyne, el sistema combina electrónica de baja potencia, registro de datos de larga duración, procesamiento de datos submarinos y telemetría acústica en un solo instrumento de fácil implementación. SMART tiene la flexibilidad de interactuar con una amplia gama de sensores internos y externos y otras fuentes de datos que utilizan algoritmos de análisis de datos estándar o personalizados para proporcionar a los operadores datos clave cuando los necesitan.

La capacidad avanzada que ofrece SMART permite que la tecnología se utilice como sistema de monitoreo submarino primario o de respaldo para una variedad de tareas tales como el monitoreo de estructuras submarinas, incluidas las cabezas de pozo y elevadores. El sistema también se puede configurar para la observación de la línea de amarre y la tubería, tanto para el trabajo de puesta en marcha como para la supervisión a más largo plazo. De hecho, con su capacidad para interactuar con la mayoría de las fuentes de datos, SMART se puede utilizar prácticamente en cualquier lugar donde se necesite acceder a la información sobre el rendimiento o la condición de los activos submarinos.

SMART incluye entradas digitales y analógicas que se pueden configurar para conectarse a múltiples fuentes de datos. Los sensores internos disponibles para la medición del movimiento incluyen acelerómetros, sensores de velocidad angular e inclinómetros, así como sensores de presión y temperatura estándar y de alta precisión. Los sensores externos que se pueden interconectar incluyen sensores de presión, medidores de tensión y perfiladores de corriente acústicos Doppler. Para aplicaciones más personalizadas, se pueden crear interfaces personalizadas para vincular a instrumentos como monitores de corrosión o herramientas de medición de vibraciones.

Un registrador de datos de baja potencia es una característica clave de SMART, permitiendo que los datos recibidos de fuentes externas e internas sean archivados de forma segura. Un beneficio clave de SMART es su capacidad de procesar datos en bruto en el entorno submarino para proporcionar información de valor agregado, mientras que el sistema avanzado de adquisición y procesamiento de datos, el corazón de SMART, contiene un procesador altamente capaz que puede ejecutar algoritmos sofisticados especificados por el usuario y realice análisis de datos simples tales como estadísticas mínimas / máximas / medias y umbrales para alarmas e informes de eventos críticos. Al reducir los datos del sensor de gran ancho de banda a paquetes pequeños y críticos y al administrar eficientemente el consumo de energía, se pueden lograr largos tiempos de implementación desde el paquete de baterías interno, mejorando así el conocimiento de los usuarios del entorno submarino.

Además, cuando el análisis de superficie de los datos telemétricos requiere una revisión más exhaustiva de los parámetros del sensor, SMART permite la recuperación acústica de datos brutos desde intervalos de tiempo específicos. Alternativamente, el sistema se puede acoplar a través de una conexión Ethernet a BlueComm (enlace de comunicación óptica de gran ancho de banda de Sonardyne), lo que permite recuperar grandes cantidades de datos de un ROV o AUV. Todos los datos registrados se pueden descargar de un almacenamiento seguro cuando se recupera la unidad.

La esencia de SMART es la flexibilidad y la capacidad de configuración, y la capacidad de conectarse a diferentes sensores y fuentes de datos es una parte integral de la línea de productos SMART. Sin embargo, estas no son las únicas opciones: SMART está disponible en una amplia gama de materiales, desde aluminio y bronce de aluminio hasta acero inoxidable súper dúplex para obtener la mayor resistencia a la corrosión posible. Otras opciones incluyen alojamientos 'maxi' más largos para aumentar la capacidad de la batería y diferentes tipos de conectores y, si es necesario, se pueden agregar otras funciones, incluido el posicionamiento acústico, al sistema de monitoreo.

Plataformas Tecnológicas - Comunicaciones ópticas

Además de desarrollar tecnologías acústicas, Sonardyne se ha trasladado en los últimos años al área de las comunicaciones ópticas de espacio libre, introduciendo con éxito en el mercado módems submarinos de alta velocidad.

Bluecomm - BlueComm es un sistema de comunicación óptico inalámbrico a través del agua que se ha desarrollado para transmitir datos submarinos, transmitir video y realizar un control del vehículo sin cables a velocidades muy altas. La familia de módems BlueComm actualmente se compone de tres variantes: BlueComm 100 está optimizado para entornos de operación en aguas poco profundas con "luz ambiental alta" y ofrece un buen equilibrio entre velocidad de datos y rango; BlueComm 200 envía datos a hasta 12.5 Mbps y es adecuado para operaciones profundas o nocturnas; mientras que la configuración dual de BlueComm 5000 admite velocidades de transferencia de datos de hasta 1000 Mbps.

BlueComm utiliza el espectro electromagnético en lugar de ondas de presión acústicas para transmitir grandes volúmenes de datos. Típicamente operando en la región azul del espectro de 450nm, BlueComm puede alcanzar velocidades de datos de más de 500 Mbps. Esta tecnología de transmisión de datos ópticos es altamente eficiente, permitiendo que 1 Gb de datos se transmitan con la energía contenida en una sola celda de tamaño D de litio a distancias superiores a 150 metros.

Las aplicaciones de Bluecomm son extensas: se utilizan junto con la acústica Sonardyne, los datos de bajo ancho de banda se pueden transmitir acústicamente (por ejemplo, al encender la óptica de forma remota) y se pueden transmitir datos de gran ancho de banda como archivos de datos de imágenes de video o sonar. método óptico Los datos de los centros de almacenamiento de datos de los fondos marinos o de los vehículos de recopilación de datos pueden recopilarse mediante AUV y luego retransmitirse a los ASV o unidades de superficie tripuladas para su transmisión a las estaciones terrestres por satélite.

Sistemas inerciales : para complementar sus sistemas acústicos de última generación y proporcionar las mejores soluciones de posicionamiento posibles para vehículos submarinos, Sonardyne ha desarrollado sus propios sistemas inerciales, Lodestar y SPRINT. Lodestar es un sistema de referencia combinado de estado sólido y rumbo (AHRS) que se puede actualizar para convertirse en el sistema de navegación inercial con asistencia acústica SPRINT. La unidad está compuesta por tres giroscopios láser de anillo (RLG) y acelerómetros disponibles comercialmente, de alta calidad y alta confiabilidad. Los sensores utilizados son el estándar para la aviación comercial y tienen un historial probado de más de 15 años y un tiempo medio entre fallas (MTBF) de más de 400,000 horas.

Lodestar AHRS admite telegramas en serie, Ethernet y estándares de la industria para una interfaz más sencilla y también se encuentran disponibles salidas avanzadas, como velocidades de aceleración y rotación. El almacenamiento de datos a bordo y la funcionalidad de la batería de respaldo garantizan el funcionamiento continuo y la pérdida de datos, incluso si se pierden las comunicaciones o la alimentación externa.

SPRINT es un sistema de navegación inercial submarino asistido acústicamente para vehículos submarinos que hace un uso óptimo de los datos de ayuda acústica del posicionamiento acústico USBL y LBL y otros sensores como el registro de velocidad Doppler Syrinx (DVL) de Sonardyne y sensores de presión. Esto mejora la precisión, la precisión, la confiabilidad y la integridad de la posición al tiempo que reduce el tiempo de operación y los costos del buque. El sistema extiende los límites operativos de la transmisión USBL y puede mejorar drásticamente la eficiencia operativa de los sistemas LBL. La nueva unidad SPRINT de tercera generación de Sonardyne ofrece paso de potencia a los sensores de ayuda, lo que reduce el cableado y la complejidad de las interfaces.

SPRINT comparte la misma plataforma de hardware que Lodestar y es un sistema combinado de AHRS e INS: la ejecución simultánea de los algoritmos AHRS e INS permite que la navegación inercial se inicie o reinicie instantáneamente al recibir una actualización de posición, ya que el AHRS proporciona orientación al INS puesta en marcha, evitando el largo período de "alineación" común a otros sistemas INS. A partir de entonces, las orientaciones calculadas por AHRS e INS independientes se controlan de forma autónoma como una indicación de la salud del sistema.

Los niveles de precisión proporcionados por el sistema INS asistido por acústica de Sonardyne SPRINT-Nav ahora permiten a los operadores realizar mapeo y metrología láser submarinos móviles. Los tiempos de preparación y obtención de datos de imágenes se reducen considerablemente y se ha informado que los resultados posprocesados ​​alcanzados en los numerosos ensayos y proyectos experimentales completados en 2017 cumplen todos los requisitos de los usuarios.

Futuros retos

Los desafíos que quedan por abordar se completan con la introducción de la navegación submarina automatizada, el posicionamiento y el centro de comunicación para lograr la eficiencia de las operaciones y el uso de embarcaciones más pequeñas. Por ejemplo, la introducción de buques de superficie autónomos (ASV) representará un cambio en la cultura, y los casos de seguridad del operador dependerán de los sistemas de redundancia y repliegue para controlar los buques en caso de fallo o error de navegación por satélite. Otros desafíos incluyen la introducción y el uso exitoso de sistemas anticolisión.

Sonardyne puede proporcionar un conjunto completo de sistemas integrados necesarios para la autonomía marina. Plataformas como su instrumento AvTrak 6, que está optimizado para AUV, utiliza los sistemas acústicos de la compañía para permitir la transferencia de datos y comunicación de banda ancha de dos vías a larga distancia, mientras que las distancias más largas posibles se logran mediante transpondedores de retransmisión acústica, aumentando en gran medida los rangos de operación de embarcaciones autónomas. La telemetría de datos de posición de los sistemas USBL puede enviarse al procesador de solución de navegación INS del vehículo submarino como parte de las comunicaciones de seguimiento de rutina y la información de estado AUV puede enviarse de vuelta mediante el mismo proceso. Esta misma telemetría se puede usar para controlar sistemas en el AUV, como aquellos que actualizan la misión, o para cambiar la configuración del sensor de encendido / apagado o de los módems ópticos. En caso de falla del vehículo, el AvTrak 6 también actuará como una radiobaliza de localización de emergencia, pasando al modo de espera para guardar su batería independiente, y se activará y responderá a las interrogaciones desde cualquier sistema Sonardyne 6G.

¿A dónde sigue?

Sonardyne ha sido pionera en tecnología de oceanografía digital durante más de cuatro décadas, sin embargo, la lista de aplicaciones para la tecnología de la compañía crece año tras año, particularmente en lo que respecta a automatización y operaciones remotas.

La tecnología moderna puede aterrizar una nave espacial en un asteroide o volar uno a través de los anillos de Saturno desde una estación de control en la tierra, y por lo tanto, Sonardyne cree que la operación de un dron submarino en los océanos de la Tierra está dentro de la capacidad humana. La compañía enfatiza que con menos (o ninguna) gente en el mar, la provisión de datos utilizables para control, monitoreo basado en condiciones y recolección de datos es primordial, pero reconoce que operar en o debajo del océano presenta importantes desafíos técnicos y ambientales.

Sonardyne también señala que las líneas de comunicación no son conexiones punto a punto, sino que dependen de múltiples sistemas trabajando juntos, operando en diferentes medios y entornos cambiantes y con anchos de banda variables a través de Internet, conectados a través de fibra óptica, satélites, corto redes wifi de onda o locales, módems acústicos, módems ópticos, conexiones Ethernet y LAN, con una multitud de formatos de datos, protocolos y sistemas operativos que los ingenieros tienen que unir de alguna manera para proporcionar la conectividad perfecta que esperan los usuarios. Por lo tanto, el principal desafío para lograr la integración efectiva de sistemas complejos es la interoperabilidad, con las empresas de comunicaciones digitales trabajando juntas para compartir información y acordar cadenas de datos y protocolos estandarizados. Las industrias de aviación y automotriz han demostrado el éxito que se puede lograr al trabajar de esta manera, y Sonardyne cree que todas las secciones de la industria de la tecnología marítima pueden beneficiarse de un enfoque de trabajo colaborativo: el océano digital ya está aquí, depende de la comunidad marina mundial para darle forma de la manera que beneficie el crecimiento de las industrias que la usarán.

(Según se publicó en la edición de marzo de 2018 de Marine Technology Reporter )