Sistemas de navegación inercial (INS) para aplicaciones marinas

La precisión de la navegación es fundamental para la seguridad y eficacia de las operaciones marítimas, especialmente cuando los sistemas basados en satélites, como GNSS/GPS, son inaccesibles o poco fiables. Los sistemas de navegación inercial (INS) ofrecen una alternativa sólida al proporcionar datos de posición continuos basados en mediciones de sensores internos. En entornos marinos, en la superficie o bajo el agua, los sistemas de navegación inercial guían a submarinos, vehículos submarinos autónomos (AUV), vehículos operados por control remoto (ROV) y buques por zonas complejas y sin señal. Ya sea para prospecciones submarinas, exploraciones en aguas profundas o misiones navales, el INS marino permite una navegación precisa en las condiciones más exigentes.

¿Qué es un sistema de navegación inercial marino?

Sistema de navegación inercial (INS) Quanta Micro de SBG Systems

Un sistema de navegación inercial (INS) marino es un dispositivo electrónico autónomo que determina la posición, orientación y velocidad de una plataforma procesando la información procedente de sensores inerciales. Estos sistemas suelen constar de acelerómetros y giroscopios que miden la aceleración lineal y la rotación angular, respectivamente.

Aplicando la mecánica newtoniana, el INS calcula continuamente el movimiento a partir de un punto de partida conocido sin depender de señales externas. Esto los hace especialmente adecuados para entornos submarinos o sin GNSS. Las unidades INS marinas pueden funcionar de forma independiente o integrarse con GNSS, registros de velocidad Doppler (DVL) y otros sensores de ayuda para mejorar la precisión y corregir la deriva con el tiempo.

¿Cómo funcionan los sistemas de navegación inercial?

Los sistemas de navegación inercial funcionan midiendo la aceleración lineal y la velocidad angular de una plataforma. A continuación, el sistema utiliza estas mediciones para calcular los cambios de posición y orientación a lo largo del tiempo. Los componentes principales son:

• Acelerómetros para medir la aceleración lineal
• Giroscopios para medir la velocidad de rotación
• Unidades de procesamiento para fusionar los sensores y calcular la trayectoria

En el caso de las aplicaciones marítimas, estos componentes suelen formar parte de un sistema de navegación inercial con amarre, en el que los sensores están montados rígidamente en la plataforma y utilizan algoritmos para resolver los cambios de posición. Muchos sistemas utilizan correcciones asistidas por GNSS o GPS para reducir los errores acumulados, sobre todo en los buques de superficie.

Aplicaciones marinas de los sistemas de navegación inercial

Las tecnologías INS están muy extendidas en diversos escenarios marinos y marítimos. Entre ellos se incluyen:

• Navegación submarina: Los submarinos dependen en gran medida de los sistemas de navegación inercial, ya que operan bajo el agua sin acceso a GNSS. Las unidades INS submarinas proporcionan capacidades precisas de navegación a punto muerto, fundamentales para misiones sumergidas de larga duración.
• Vehículos submarinos autónomos (AUV): Los AUV necesitan una navegación precisa para cartografiar el fondo marino, inspeccionar tuberías y realizar investigaciones científicas. Los INS marinos, a menudo combinados con DVL, permiten a estas plataformas navegar de forma autónoma a largas distancias.
• Vehículos teledirigidos (ROV): Los sistemas de navegación inercial permiten mantener la posición, el posicionamiento y el control de los vehículos teledirigidos utilizados en la extracción de petróleo y gas en alta mar, las operaciones de salvamento y la inspección de infraestructuras.
• Navegación de buques de superficie: Los buques utilizan el sistema de navegación inercial como complemento de los sistemas GNSS para obtener redundancia y maniobras precisas en aguas confinadas, entradas en puerto y posicionamiento dinámico.
• Posicionamiento y topografía submarinos: Los sistemas INS marinos mejoran los sistemas de posicionamiento submarinos cuando los métodos acústicos o GNSS tradicionales son insuficientes. Estos sistemas mejoran la precisión en levantamientos hidrográficos y estudios oceanográficos.
• Drones marinos y vehículos de superficie no tripulados (USV): De forma similar a los drones aéreos, los drones marinos y los USV utilizan INS para la navegación autónoma, especialmente cuando las señales GNSS están bloqueadas por estructuras o interferencias ambientales.

Tipos de sistemas de navegación inercial utilizados en entornos marinos

Certus INS de Advanced Navigation

Existen varios tipos de sistemas de navegación inercial, cada uno con distintos niveles de precisión y resistencia:

• Sistemas de navegación inercial con tirantes: sistemas compactos y robustos con sensores montados rígidamente, adecuados para vehículos pequeños como AUV y ROV.
• Sistema de navegación inercial asistido por GNSS: combina el sistema de navegación inercial con receptores GNSS para mejorar la precisión durante las operaciones en superficie.
• Sistemas de navegación basados en MEMS: sistemas ligeros y económicos ideales para plataformas pequeñas, aunque menos precisos que los giroscopios de fibra óptica o láser anular.
• Sistemas de navegación submarina: diseñados específicamente para funcionar en aguas profundas e integrarse con sistemas acústicos y DVL.
• Sistemas INS/DVL híbridos: Combinan datos inerciales con mediciones de velocidad Doppler para mejorar la precisión submarina.

Comparaciones y consideraciones de rendimiento

Aunque el GNSS se utiliza ampliamente para la navegación de superficie, los sistemas de navegación inercial ofrecen ventajas clave en escenarios en los que el GNSS se ve comprometido:

• INS frente a GNSSS: INS proporciona una capacidad de navegación continua independiente de señales externas. El GNSS, aunque es muy preciso en la superficie, puede ser interferido, suplantado o no estar disponible bajo el agua.
• INS asistido por GNSS frente a INS autónomo: los sistemas asistidos se benefician de las señales de corrección, lo que los hace adecuados para misiones de larga duración en las que, de otro modo, se acumularía la deriva autónoma.

Precisión del INS

La precisión de los sistemas marinos de navegación por satélite depende de la calidad del sensor, la calibración y la duración del funcionamiento sin ayuda. Los sistemas de gama alta ofrecen tasas de deriva tan bajas como el 0,01% de la distancia recorrida.

Normas y consideraciones de integración

Los sistemas marinos de navegación inercial suelen estar diseñados para interactuar con diversas tecnologías marítimas y deben cumplir las normas medioambientales, de rendimiento y de interoperabilidad pertinentes. Entre ellas figuran:

• Normas de rendimiento de la OMI: Directrices de la Organización Marítima Internacional que definen los requisitos mínimos de rendimiento de los equipos de navegación de a bordo.
• IEC 61162 / Protocolos NMEA: Normas comunes de comunicación para integrar los sistemas de navegación con la electrónica marina, incluidos los chartplotters, pilotos automáticos y sistemas de puente.
• ISO 13628-6: Aplicable a los sistemas de producción submarina, esta norma puede ser pertinente cuando el INS se integra con infraestructuras submarinas autónomas o manejadas por control remoto.
• Conformidad medioambiental y CEM: Muchos productos INS se someten a pruebas para resistir condiciones específicas de la marina, como vibraciones, humedad, corrosión e interferencias electromagnéticas, de acuerdo con los requisitos generales de la industria o de las sociedades de clasificación (por ejemplo, DNV, ABS).

Las unidades INS suelen integrarse en sistemas marinos más grandes, como conjuntos de posicionamiento dinámico, cargas útiles para levantamientos hidrográficos o plataformas de control de AUV. La integración requiere sólidas interfaces de datos y protocolos de sincronización temporal para garantizar un rendimiento preciso del sistema.

Fabricantes y adopción industrial

Numerosos fabricantes producen sistemas de navegación inercial adaptados a los entornos marinos, con distintas prestaciones, durabilidad e integración de sensores. La selección depende de los requisitos de la misión, el tipo de plataforma y las limitaciones operativas. Las aplicaciones más populares abarcan la defensa, la investigación, la navegación comercial, la construcción submarina y la energía en alta mar.

Los sistemas marinos de navegación inercial siguen evolucionando con los avances en tecnología de sensores, algoritmos de fusión de datos y marcos de integración. Estos sistemas siguen siendo esenciales para una navegación precisa y fiable por los océanos del mundo.