GNSS/INS para sistemas de navegación marina y marítima

Las tecnologías GNSS/INS, también conocidas como GPS/INS, proporcionan posicionamiento y navegación precisos para embarcaciones marinas y marítimas, mejorando la seguridad, la eficiencia y la autonomía en diversos entornos operativos. Las soluciones integradas del Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS ) y el Sistema de Navegación Inercial (INS) son cada vez más críticas para las operaciones en las que es esencial un conocimiento geoespacial preciso, incluso en entornos sin GNSS, como bajo el agua o cerca de infraestructuras costeras complejas.

Estos sistemas combinan la precisión global de la navegación por satélite con la exactitud local de los sensores inerciales. Esta fusión garantiza datos fiables en tiempo real sobre posición, orientación y velocidad para plataformas con o sin tripulación que operan sobre o bajo la superficie del océano. Estos sistemas sirven para todo, desde la cartografía del fondo marino hasta el atraque autónomo, y son vitales para permitir operaciones marinas inteligentes tanto en entornos comerciales como de defensa.

Aplicaciones GNSS/INS submarinas y marinas

Boreas D90 digital FOG GNSS-INS de Advanced Navigation

Los sistemas GNSS/INS se utilizan en muchas aplicaciones marinas, proporcionando datos de navegación y orientación de alta precisión para buques y plataformas que operan en entornos complejos o dinámicos. Los casos de uso típicos incluyen:

Estudios hidrográficos y batimétricos

Los sistemas GNSS/INS de calidad topográfica se utilizan en operaciones con ecosondas multihaz y monohaz, proporcionando datos de profundidad georreferenciados precisos para la caracterización de fondos marinos, dragados y planificación de infraestructuras.

GNSS/INS para vehículos teledirigidos (ROV)

Los ROV que realizan tareas de inspección, mantenimiento o salvamento de cables dependen de datos GNSS/INS estrechamente acoplados y retransmitidos desde buques de superficie para mantener la posición y ejecutar movimientos controlados.

GNSS/INS para vehículos submarinos autónomos (AUV)

LosAUV utilizan sistemas inerciales integrados y fijaciones GNSS ocasionales en la superficie o a través de módems acústicos para navegar en misiones complejas en entornos submarinos sin GNSS.

GNSS/INS para buques de superficie sin tripulación (USV)

Permite la navegación autónoma por puntos de ruta, el mantenimiento de estaciones y la evitación dinámica para USV utilizados en inspecciones, seguridad y vigilancia medioambiental.

Navegación marítima y prevención de colisiones

Los grandes buques utilizan sistemas de navegación integrados para el encaminamiento seguro, el atraque y la evitación de colisiones en condiciones de congestión o baja visibilidad.

Dragado y operaciones portuarias

El posicionamiento preciso con corrección INS mejora el seguimiento de los cabezales de dragado, la gestión de los sedimentos y la alineación de las infraestructuras portuarias.

Supervisión de activos en alta mar

Ayuda a la estabilización y el seguimiento de plataformas flotantes, grúas y conjuntos de sensores utilizados en instalaciones marinas de petróleo y gas, energía eólica y energía marina.

Muchas operaciones utilizan GNSS/INS en combinación con sistemas de identificación automática (AIS), servicios de tráfico de buques (VTS) y sonares para un conocimiento completo del dominio marítimo.

Tipos y arquitecturas de los sistemas GNSS/INS

Permiten la navegación autónoma por puntos de ruta, el mantenimiento de estaciones y la evitación dinámica para los USV utilizados en inspecciones, seguridad y vigilancia medioambiental.

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  GNSS/INS compacto de alto rendimiento de SBG Systems

  .Sistemas de navegación basados en IMU de grado táctico: sistemas basados en MEMS de grado táctico o sensores FOG compactos. Equilibran la precisión con un bajo consumo y un factor de forma reducido, lo que los hace habituales en USV, pequeños AUV y equipos de inspección portátiles.

• Sistemas de navegación inercial de calidad topográfica: incorporan giroscopios láser anulares o FOG de alto rendimiento, lo que permite una precisión centimétrica cuando se combinan con datos de corrección RTK. Muy utilizado en levantamientos hidrográficos, operaciones de ROV y tareas de georreferenciación de precisión.
• Unidades integradas de alta precisión: Módulos GNSS/INS compactos integrados en electrónica de control o cargas útiles, optimizados para ROVs, AUVs, UAVs, y vainas de sensores donde el espacio es un bien escaso.
• Sistemas EGI (GPS/INS integrados): Utilizados normalmente en sistemas de defensa, marítimos y aeroespaciales, combinan IMU robustas con GNSS seguro y antiparásitos para la navegación y la orientación en misiones críticas.
• Sistemas de amarre marítimo: Diseños de estado sólido sin piezas móviles, que ofrecen robustez en entornos de alta dinámica y resistencia a golpes mecánicos y vibraciones.
• Módulos AHRS: Los sistemas de referencia de actitud y rumbo proporcionan datos de orientación en tiempo real y suelen integrarse con GNSS/INS en plataformas marinas para apoyar la estabilización, el autodireccionamiento y el control de la embarcación.

Las arquitecturas de acoplamiento definen cómo se gestiona la integración de datos:

• Acoplamiento débil: Los datos GNSS e INS se procesan de forma independiente y se fusionan a un nivel superior. Más sencillo, pero menos resistente en entornos difíciles.
• Estrechamente acoplados: Los datos brutos de la señal GNSS y las salidas INS se combinan directamente, lo que permite la navegación incluso con menos de cuatro señales de satélite.
• Acoplamiento profundo o ultraacoplado: Integra bucles de seguimiento de señales GNSS con datos inerciales, lo que mejora la resistencia frente a interferencias y suplantación de identidad.

Factores de rendimiento y métricas

El rendimiento del sistema se evalúa en varias dimensiones clave:

• Precisión de la posición: los sistemas de gama alta alcanzan una precisión de submétrica a centimétrica utilizando correcciones RTK o PPP. La precisión puede degradarse con la caída del GNSS, pero se estabiliza con el INS.
• Precisión de la actitud: Las mediciones de balanceo, cabeceo y guiñada son fundamentales para la orientación de la plataforma, especialmente durante los movimientos dinámicos.
• Resolución de rumbo: Especialmente importante para el acoplamiento, el tendido de cables submarinos y la navegación cerca de obstáculos.
• Latencia y frecuencia de actualización: La salida de datos de alta frecuencia es necesaria para los bucles de control en tiempo real de los sistemas autónomos.
• Robustez: Los sistemas se evalúan en cuanto a golpes, vibraciones, temperatura y compatibilidad electromagnética (CEM), sobre todo en despliegues navales.

Los sistemas de gama alta también pueden incluir antispoofing, mitigación de interferencias y redundancia mediante múltiples constelaciones GNSS o sensores auxiliares.

Normativa y estándares industriales

Las soluciones GNSS/INS utilizadas en entornos marítimos suelen ajustarse a las normas internacionales y de defensa. Entre ellas se incluyen:

• Normas de rendimiento de la OMI: Para equipos GNSS embarcados en buques comerciales.
• NMEA 0183 / NMEA 2000: Protocolos de comunicación para electrónica marina.
• MIL-STD-810 Y MIL-STD-461: Normas medioambientales y electromagnéticas para plataformas navales y de defensa.
• STANAG 4576: Define los parámetros y formatos INS para las fuerzas de la OTAN.
• Protocolos RTCM SC-104 y NTRIP: Utilizados para la transmisión de datos de corrección GNSS en tiempo real.

Su cumplimiento garantiza la interoperabilidad del sistema, la garantía de la misión y la seguridad de la navegación en aguas internacionales.

Integración con sistemas marinos

Los sistemas GNSS/INS modernos se integran cada vez más con otros subsistemas del buque para el intercambio de datos en tiempo real, el control y la supervisión. Algunos ejemplos son:

• Fusión de sensores con sonar y DVL: para mejorar la navegación submarina y la cartografía del fondo marino.
• Conexión con pilotos automáticos y propulsores: Posicionamiento dinámico y maniobra precisa durante el atraque o el despliegue de equipos.
• Sistemas de gestión de misiones: Los datos GNSS/INS en tiempo real alimentan los planificadores de misiones autónomas y los ordenadores de navegación.
• Plataformas de gestión de flotas: Utilizan datos GNSS/INS para la supervisión centralizada, la optimización de rutas y la coordinación operativa entre grupos de buques.
• Cuadros de mando de conocimiento de la situación: Proporcionan al personal de navegación o a los operadores remotos datos geoespaciales fusionados, alertas y diagnósticos.

La interoperabilidad se mejora mediante buses de datos normalizados (por ejemplo, CAN, Ethernet), API de software y arquitecturas de hardware modulares.

Tendencias y desarrollos futuros

A medida que las operaciones marítimas se vuelven más autónomas y se basan más en los datos, las tecnologías GNSS/INS evolucionan para satisfacer mayores expectativas de precisión, resistencia e integración:

• Aprendizaje automático para la fusión de sensores: Se están desarrollando técnicas de fusión basadas en IA para mejorar la robustez en condiciones degradadas o denegadas.
• IMU compactas de alta precisión: Mejora del rendimiento SWaP-C en plataformas pequeñas sin tripulación.
• Redundancia multisensor: Combinación de varios receptores GNSS, IMU y sensores de ayuda para proporcionar capacidades de conmutación por error en misiones críticas.
• Investigación sobre navegación GNSS denegada: Exploración de enfoques híbridos utilizando magnetómetros, localización basada en visión y detección inercial.
• Ciberseguridad y refuerzo: Mejora de la protección contra interferencias, suplantación de identidad e intrusiones cibernéticas, especialmente en sistemas de defensa y de doble uso.

Los avances continuos en GNSS/INS son esenciales para ampliar la autonomía marítima, la seguridad y el conocimiento de la situación en los dominios oceánicos globales.