Posicionamento Submarino por Hidroacústica
As operações de engenharia submarina em águas profundas requerem o posicionamento de estruturas artificiais no assoalho marinho, onde não é possível utilizar mão de obra humana. Para tais serviços muitas vezes são utilizados veículos operados remotamente (ROVs, na sigla em inglês).
Como em todas as obras de engenharia civil, faz-se necessário levantar o terreno através da topografia e da geodésia antes de se preparar um projeto e para implementá-lo. Para se instalar as estruturas submarinas faz-se necessário também o posicionamento preciso das mesmas para que todo o arranjo submarino fique disposto conforme os cálculos prévios. Malhas de dutos submarinos demandam levantamentos cadastrais, tais como dutos, redes elétricas e ruas que temos em terra. Os geólogos também requerem uma boa precisão ao se fazer a locação de um poço a ser perfurado, para que os objetivos litológicos previstos nos modelos estratigráficos possam ser atingidos. Todos esses serviços que são feitos por topógrafos em terra são feitos no mar com ROVs operados por offshore surveyors – ou hidrógrafos, em português – que são os topógrafos e cartógrafos do mar.
Os ROVs utilizados em mapeamentos são equipados com instrumentos e sensores que permitem seu posicionamento em tempo real, com informações de norte, este, profundidade, aproamento (azimute da proa do veículo), altura do fundo, entre outros. A partir dessas informações o ROV pode obter a posição de diversas feições submarinas, além de filmá-las e fotografá-las.
Georreferenciar um objeto no fundo do mar requer métodos muito diferentes dos empregados em terra, pois não é possível enviar um topógrafo com uma estação total ou um rastreador GPS ao fundo do mar. Embora a tecnologia GNSS tenha se difundido e se popularizado em diversas finalidades onshore, não é possível utilizar um rastreador GNSS no ambiente submarino, visto que a energia eletromagnética é amplamente absorvida pela água. Para localizar ou posicionar um objeto no ambiente submarino faz-se necessário utilizar a energia acústica. Os princípios de trilaterações e de triangulações utilizados nos posicionamentos geodésicos utilizando tecnologia GNSS são os mesmos empregados sob a água. O método de se obter a posição de um objeto ou local submerso através da energia acústica é denominado de Hidroacústica.
Georreferenciamento Submarino
Um sistema que seja capaz de posicionar objetos no fundo do mar, primeiro deve ser capaz de posicionar a embarcação na qual está instalado. A posição da embarcação é o princípio de todo georreferenciamento submarino. No entanto, navios são objetos flutuantes que sofrem as ações do mar, estado em constante movimento de translação e de rotação.
O primeiro passo, portanto, é localizar o navio, o qual realiza seis movimentos distintos, sendo três rotações e três translações, chamados pitch, roll, yaw, heave, surge e sway.
Um rastreador GNSS é instalado no navio e posiciona a embarcação por satélites. A posição da antena é inserida no software de navegação sob a forma de um offset, de maneira que a posição de qualquer parte do navio possa ser calculada a partir da posição da antena. Uma bússola giroscópica fornece o aproamento da embarcação e um sensor de atitude fornece os deslocamentos do centro de massa da embarcação, de forma que o software de navegação possa corrigir a posição de cada ponto do navio de acordo com a atitude medida.
Uma vez que todos os pontos do navio estejam georreferenciados em tempo real, torna-se possível transportar coordenadas para o fundo do mar. Um transdutor acústico instalado usualmente no casco da embarcação, com coordenadas conhecidas atualizadas em tempo real pelo software de navegação, envia sinais acústicos pela água. Esses sinais são recebidos por transponders instalados em robôs submarinos ou estruturas submarinas, ou mesmo sobre o assoalho oceânico. Ao receber o sinal acústico o transponder responde com outro sinal. Quando este chega de volta ao transdutor, é feito o cálculo da distância entre eles, através do tempo de propagação dos dois sinais pela coluna d’água, pela velocidade de propagação do som na água e pelo ângulo de recepção do sinal pelo transdutor. Como este possui coordenadas conhecidas e o ângulo de recepção do sinal também é obtido, logo se torna possível saber a posição do transponder dentro da coluna d’água.
Uma vez que a posição depende da medida da distância entre o transdutor e o objeto sendo posicionado, é necessário conhecer a velocidade de propagação do som na água em toda a coluna d’água. Antes de uma operação de posicionamento hidroacústico é feita uma perfilagem na coluna d’água com um sensor que meça direta ou indiretamente a velocidade de propagação do som. Com os dados é elaborado um perfil de velocidade do som que é inserido no software. O tempo de propagação do sinal sempre deve ser corrigido de acordo com o perfil para que o posicionamento atinja sua precisão esperada. Erros de propagação da velocidade do som são fontes comuns de erro em posicionamento submarino.
Métodos de Posicionamento
Fundamentados nesse princípio básico de propagação do sinal acústico pela água, existem dois principais métodos de posicionamento hidroacústico: O método de Linha Base Super Curta (SSBL) e o método de Linha Base Longa (LBL).
O SSBL consiste em utilizar um transdutor multi-elementos, no qual vários pequenos elementos (hidrofones) podem enviar e receber sinais acústicos. Quando um sinal acústico é recebido pelo transdutor, cada elemento o recebe em um tempo diferente. A diferença no tempo de recepção do sinal por cada elemento permite o cálculo do ângulo de chegada do mesmo. A distância conhecida entre cada elemento constitui uma linha base que, junto com os ângulos de incidência do sinal, formam um triângulo o qual permite o cálculo da distância entre os elementos e o transponder. Assim, é possível obter a posição deste. O posicionamento SSBL fornece normalmente uma precisão de 0,5% da coluna d’água.
Já o método LBL consiste na instalação de um array georreferenciado de transponders no piso marinho. Primeiro os transponders são instalados no solo e fixados por um peso morto ou por um tripé. O transdutor então envia comandos acústicos para que os transponders realizem medições entre si. Uma vez conhecidas as linhas base, que são as distâncias entre os transponders, cada um é georreferenciado através de inúmeras medições em SSBL com o navio assumindo diversas posições diferentes que identificam e minimizam os erros sistemáticos. Uma vez georreferenciadas, as posições são ajustadas de acordo com os comprimentos das linhas base. O array georreferenciado se torna, assim, um sistema de referência. O próprio navio, um ROV, uma plataforma ou qualquer outro móvel equipado com um transdutor acústico capaz de interrogar o array na sua frequência programada pode se posicionar a partir das posições dos transponders, através de triangulações. Esse é o método que fundamenta o posicionamento dinâmico de plataformas, o chamado DP, o qual permite que elas permaneçam sobre uma mesma locação sem a necessidade de âncoras.
O posicionamento LBL fornece precisão submétrica independentemente da profundidade, podendo ser centimétrica em operações especialmente preparadas nas quais os transponders são instalados sobre tripés fixos.
O método SSBL costuma ser utilizado para posicionamentos em águas rasas nas quais seu erro de 0,5% da LDA não seja tão significativo. É utilizado também para mapeamentos e inspeções que requerem menor precisão. Já para a instalação de estruturas submarinas a partir das quais todo um arranjo submarino vai ser instalado, faz-se necessário um posicionamento mais preciso, principalmente em águas profundas. Nesses casos é utilizado o método LBL, que é mais demorado e, consequentemente, mais caro. A sinalização de uma locação onde será perfurado um poço normalmente é feita em SSBL quando em águas rasas e em LBL quando em águas profundas.
Romero Meyrelles Duarte
Técnico em Geomática. Graduando em Geografia pela UFES. Atua na Petrobras como Técnico de Exploração de Petróleo Especialista em Geodésia
grinerdam@gmail.com