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Navegação A Ciência e A Arte - Volume Iii (Altineu Pires Miguens, 2000)
Navegação A Ciência e A Arte - Volume Iii (Altineu Pires Miguens, 2000)
Navegação A Ciência e A Arte - Volume Iii (Altineu Pires Miguens, 2000)
OUTROS SISTEMAS
38 E TÉCNICAS
MODERNAS
DE NAVEGAÇÃO
e custo, de modo que, atualmente, seu uso foi estendido aos submarinos de ataque, navi-
os-aeródromos e outros meios de superfície.
A Navegação Inercial é definida como o processo de determinar a posição do
navio e os seus movimentos com base na medida das suas acelerações em direções espaci-
ais conhecidas, por meio de instrumentos que mecanizam as leis do movimento de Newton.
As acelerações são integradas para obtenção da velocidade e posição. Os instrumentos
básicos usados em todos os sistemas de navegação inercial são giroscópios, acelerô-
metros e computadores.
Os giroscópios foram estudados no Volume I (Capítulo 3). Essencialmente, um
giroscópio clássico consiste de um rotor (volante ou toro), perfeitamente balanceado,
que, ao girar em alta velocidade, mantém, de acordo com as leis de Newton, a orientação
do seu eixo de rotação, apontando sempre para um mesmo ponto no espaço (com respeito
a um sistema de referência universal), exceto quando perturbado por uma força externa,
como a gravidade ou o atrito (fricção). Um acelerômetro é um dispositivo projetado para
computar a aceleração (A) ao longo de um determinado eixo, pela medida da força (F),
exercida ao longo desse eixo, sobre uma dada massa (M), usando a 2ª Lei do Movimento
de Newton (F = MA).
Um acelerômetro pode ser considerado, em sua expressão mais simples, como uma
massa suspensa por um fio (um pêndulo) ou que pode correr ao longo de um guia reto.
Estando o suporte do pêndulo ou do guia em repouso, ou em estado de movimento retilíneo
uniforme, a massa estará em seu ponto neutro. Mas, se o suporte inicia movimento, ou
altera sua velocidade, isto é, se há uma aceleração, a massa se desloca da posição neutra
e a quantidade de deslocamento é proporcional ao valor da aceleração.
A medida do deslocamento é feita por meios elétricos, pois, assim, conseguem-se
detectar tanto as mínimas como as grandes acelerações. A figura 38.1 mostra um tipo
simples de acelerômetro. Ele é constituído da armação, massa de teste, molas de controle
e escala graduada. Se a armação está em repouso, ou se deslocando em movimento retilíneo
uniforme, a massa está em sua posição neutra, como indicado na figura 38.1(A). Quando a
armação é acelerada para a direita (como no caso de alteração de velocidade), a massa se
move para trás com referência à armação, o que é indicado pelo ponteiro na escala. Quan-
do cessa a aceleração, no caso de ser mantida uma velocidade uniforme, as molas de con-
trole fazem com que a massa de teste retorne à sua posição neutra inicial com respeito à
armação.
MASSA DE TESTE
ACELERAÇÃO
ARMAÇÃO ARMAÇÃO
(A) (B)
Na figura 38.2, apresentamos uma ilustração do que ocorreria num navio hipotéti-
co, que navegasse em linha reta, e cujo acelerômetro só estivesse sujeito às forças devidas
à marcha normal do navio.
ACELERAÇÃO + 1g
NAVEGANDO EM
VELOCIDADE
CONSTANTE
+1g 0 -1g -40 0 +40 nós -1000 0 +1000 milhas
DESACELERAÇÃO - 1/2g
EM REPOUSO DEPOIS
DE NAVEGAR MIL
MILHAS
obter isto, estes dois giroscópios são montados no “Anel de Latitude”, que é um disco
capaz de girar em torno do eixo horizontal E–W, sendo, assim, mantido com seu plano no
meridiano. Sua atitude é mostrada na figura 38.5, para as posições na superfície da Terra
(a) e (b), da figura 38.6.
eixo de entrada
eixo de rotação
eixo de saída
M E
GIROSCÓPIO L
W E W
E
GIROSCÓPIO M
VERTICAL VERDADEIRA
ACELERAÇÃO
VERTICAL VERDADEIRA
VERTICAL N
LATITUDE
LATITUDE
Assim, em resumo, a Plataforma Estável mantém sua atitude com relação ao eixo
de rotação da Terra e à vertical, por um sistema de três giroscópios e dois acelerômetros.
A Sintonia de Schuler garante que o movimento do navio não introduz no sistema uma
falsa vertical. O SINS mede diretamente a Latitude, mas a Longitude é obtida por
integração da velocidade E–W. O movimento do veículo considerado pelo SINS é o movi-
mento verdadeiro, sobre a superfície da Terra, levando em conta todas as influências –
correntes, ventos, marés, etc.
Devido ao erro combinado causado por estes e outros fatores, todos os Sistemas de
Navegação Inercial apresentam algum grau de erro cumulativo, que aumenta com o tem-
po de operação. Assim, a posição fornecida pelo sistema deve ser periodicamente compa-
rada com posições obtidas por outros meios e, ainda, o SINS deve ser atualizado e calibra-
do a determinados intervalos de tempo, utilizando, por exemplo, uma posição LORAN-C
ou GPS. Entretanto, os sistemas atuais requerem atualizações muito menos freqüentes
que os inicialmente instalados nos submarinos portadores de mísseis balísticos “Polaris”.
Isto é uma característica importante, pois a determinação da posição por meios externos
muitas vezes requer que o submarino navegue próximo da superfície (figura 38.14), onde
a vulnerabilidade à detecção é grandemente aumentada.
ATUALIZAÇÃO INTERNA
(MONITORAMENTO POR
GIROSCÓPIO ELETROSTÁTICO)
LORAN–C
ESGM
Figura 38.15 – Intervalo de Atualização Estendido pelo Uso de Monitoramento por Giros-
cópio Eletrostático (ESGM)
ATUALIZAÇÃO
SINS INTERNA
ERRO ESGM
TEMPO
IMPRESSORA
GABINETE DE
CONTROLE ELETRÔNICO
COMPUTADOR
CONSOLE DE
SAÍDA DE DADOS
PLATAFORMA ESTÁVEL
Freqüência recebida:
f .C
PROJETOR f' =
C − v
REFLETOR
HIDROFONE Então:
f
v = C 1 −
f'
Figura 38.18 – Configuração Janus (Arranjo de Quatro Transdutores em Dois Eixos – Lon-
gitudinal e Transversal)
Este padrão permite que as variações Doppler para vante e para ré, assim como para
boreste e bombordo, sejam continuamente comparadas para eliminar qualquer erro decor-
rente de movimento vertical do navio ou causado por irregularidades do fundo, proporcionan-
do, assim, uma determinação muito precisa da velocidade horizontal do navio e da profundi-
dade. O sistema fornece informações contínuas de velocidade (com precisão de 0,1 nó), pro-
fundidade (com precisão de 1 metro) e distância navegada (com aproximação de 0,01 milha).
Portanto, a “configuração Janus” usa quatro fontes de energia sonora, espaçadas
de 90º entre si. As fontes operam como transmissores e receptores, usando como refletor o
fundo do mar. Os transdutores emitem feixes de energia ultra-sônica e, através da medi-
da do desvio Doppler da freqüência das ondas refletidas pelo fundo, é possível medir a
velocidade de deslocamento nos eixos longitudinal e transversal.
Em muitas aplicações militares e científicas, os transdutores são montados em uma
plataforma horizontal estabilizada por giroscópios, que mantém os feixes orientados nas 4
direções cardeais – Norte, Sul, Leste e Oeste, para determinar o rumo no fundo e a veloci-
dade no fundo. Assim, fica criado um sistema de “navegação estimada” de grande precisão,
capaz de indicar continuamente a posição do navio, a partir de uma posição inicial introduzida
no equipamento. Além disso, as informações de rumo verdadeiro e velocidade no fundo
podem ser transmitidas a outros sistemas de navegação de bordo, incluindo plotador de
derrota estimada. Nas aplicações comerciais, em navios de grande calado, altamente está-
veis, como os V.L.C.C. (“Very Large Crude Carriers”), U.L.C.C. (“Ultra Large Crude
Carriers”) e alguns navios RoRo (“roll-on, roll-off”), o arranjo de 4 transdutores é rigida-
mente fixado ao fundo do navio e a estabilização é obtida por meios eletrônicos.
A maioria dos Sistemas Sonar Doppler utiliza reflexão no fundo do mar até profun-
didades de cerca de 300 metros (1.000 pés). Na operação em profundidades maiores, o
sinal acústico é refletido pela massa d’água. A precisão dos navegadores Doppler é consi-
derada como sendo de 0,17% da distância navegada desde a última calibragem (atualiza-
ção) do sistema. Assim, por exemplo, para uma singradura de 1.000 milhas um navegador
Doppler indicará a posição de chegada com um erro de 1,7 milha.
Como em todo sistema de navegação estimada, os erros se acumulam com o tempo
e os principais são devidos à própria precisão das medidas de velocidades. Em fundos de
até cerca de 300 metros, as ondas acústicas ultra-sonoras são refletidas pelo fundo do mar
e, assim, a precisão das medidas é muito alta. Mas, para maiores profundidades, a preci-
são é diminuída, pois deve ser empregada a reflexão pela própria massa d’água (que tam-
bém se movimenta). Assim, em profundidades maiores o sistema degrada, aumentando os
erros com o crescimento da profundidade.
Outras fontes de erros são:
– Erros na orientação dos transdutores;
– erros induzidos pelo movimento do navio;
– erros devidos à variação da velocidade do som na água; e
– erros devidos à perda de potência do nível refletido.
Existem hoje muitas centenas de Sistemas Sonar Doppler instalados em navios
militares, de pesquisa e comerciais, com a maioria deles encontrada a bordo de grandes
petroleiros e graneleiros. Os sistemas estão sendo utilizados para manter uma plotagem
estimada altamente precisa nas regiões oceânicas, fora do alcance LORAN-C. Além disso,
servem como “back-up” à navegação por satélites (GPS). Os dados de velocidade do Siste-
ma Sonar Doppler são também usados, via digital, em uma variedade de outros sistemas,
A figura 38.21 mostra, na ilustração (a), o trecho de uma Carta Batimétrica, onde
as isóbatas, traçadas a intervalos de 100 metros, correspondem às curvas de nível da
topografia do fundo e indicam as cotas do relevo submarino. Na ilustração (b), é apresen-
tada uma vista de perfil da seção indicada em (a), onde pode ser visto o cume de um monte
submarino (ou banco oceânico) e um “canyon” a ele adjacente. A figura 38.22 mostra o
Canyon de Salvador.
Figura 38.24 – Seção de uma Carta Batimétrica (Intervalo entre Isóbatas: 1 Metro)
t
prof = C .
2
Onde:
C = velocidade de propagação do som na água do mar;
t = intervalo de tempo entre a transmissão do sinal acústico e a recepção do eco
refletido no fundo; e
prof = profundidade do local.
0 ,053333
prof = 1 . 500 x = 40 m
2
40m
ECO
L SO
NOR
O
FUNDO DO MAR
A indicação da profundidade pode ser analógica (por meio de um neon que pisca na
graduação do mostrador correspondente ao fundo medido), digital, através de registro
gráfico em papel (figura 38.27), ou utilizando uma tela de cristal líquido (LCD). Os
ecobatímetros equipados com registrador gráfico ou com tela de cristal líquido são muito
úteis na navegação, pois fornecem o perfil do fundo na área onde trafega o navio. Um
perfil de fundo típico foi mostrado na figura 38.25.
Em teoria, os ecos são refletidos pelo fundo de todos os pontos varridos pelo cone
sonoro; na realidade, entretanto, os primeiros ecos que retornam tendem a mascarar os
ecos posteriores. O navegante deve estar ciente que o primeiro retorno virá da porção do
fundo que estiver mais próxima e que esta porção não está sempre diretamente abaixo
do navio. Quando isto ocorre, o fenômeno é denominado eco lateral. Na figura 38.28,
por exemplo, a profundidade indicada pelo ecobatímetro (abertura do cone de emissão =
60º), que não corresponderia ao ponto diretamente abaixo do transdutor, seria de 462m,
enquanto que a profundidade do cume da montanha submarina é de 400 metros. Neste
caso, o ecobatímetro está indicando um eco lateral.
Um fundo rochoso reflete quase todo o sinal acústico, enquanto fundo de lama
tende a absorver a energia sonora, refletindo, assim, um eco mais fraco. Uma camada
de lama ou silte sobre um fundo rochoso normalmente proporciona dois ecos. Na figura
38.31, por exemplo, verifica-se, no registro do ecobatímetro, o fundo de lama e, mais
abaixo, o fundo duro, no canal de acesso a Florianópolis.
O ar é refletor perfeito das ondas sonoras. Por isso, com o navio operando máqui-
nas a ré, o ecobatímetro muitas vezes perde a indicação, em virtude das bolhas de ar
que passam por baixo do transdutor.
representados com uma forma “hiperbólica” e assim, nessa situação, o perfil registrado
pelo ecobatímetro pode diferir um pouco do perfil real do fundo, conforme mostrado na
figura 38.33. Se o fundo é bastante irregular, poderá aparecer no registro do ecobatímetro
um padrão de diversas “hipérboles” superpostas umas às outras, como ilustrado na fi-
gura 38.34. A forma “hiperbólica” é função da largura do feixe emitido, da profundidade
local e da velocidade da embarcação. As múltiplas “hipérboles” são devidas, em grande
parte, aos ecos laterais produzidos pelo cone sonoro. O efeito torna-se ainda mais acen-
tuado com o balanço da embarcação.
REGISTRADOR DE UM ECOBATÍMETRO
B Fonte de
A Alimentação
Movimento de Papel
Estilete
Pulsos de Transmissão
Escala de Profundidades
Movimento do Estilete Correia do Estilete
Barra Energizada
Placa Terra
Amplificador
Pulso
Eco
Transmissor
Figura 38.30 – Registro do Ecobatímetro Mostrando “Deep Scattering Layer” (DSL) entre o
Fundo e a Superfície do Mar
Figura 38.31 – Registro do Ecobatímetro Mostrando Fundo de Lama e, mais Abaixo, Fundo
Duro (Canal de Acesso a Florianópolis)
FUNDO DE LAMA
FUNDO DURO
Metros
(c)
(b)
ECOGRAMA (d)
(a)
(*) OS ECOS RECEBIDOS SÃO VERDADEIRAS HIPÉRBOLES APENAS EM TEORIA.
NA PRÁTICA, ENTRETANTO, SUA FORMA É UMA CURVA SEM REPRESENTAÇÃO MATEMÁTICA.
Perfil registrado
no ecograma
Profundidade
real
(Z)
Menor
distância
(S)
Perfil real do
fundo
(Equações hiperbólicas)
NAVIO PASSANDO SOBRE UM ACIDENTE SUBMARINO PORÇÃO CORRESPONDENTE DO ECOGRAMA
Figura 38.35a
HORA PROFUNDIDADE
1600 100 m
1604 110 m
1616 120 m
1628 130 m
1632 140 m
A primeira posição estimada (1600 horas) é marcada sobre a isóbata de 100 metros.
Após isso, o navegante plota sobre a linha de rumo os pontos estimados das sondagens
seguintes (1604, 1616, 1628 e 1632 horas), conforme mostrado na figura 38.36.
Copiam-se, então, as isóbatas na folha de papel vegetal ou plástico transparente.
Em seguida, a primeira isóbata (100 m) é transportada da distância navegada entre 1600
horas e 1632 horas, sobre a linha de rumo; a segunda (110 m) é transportada da distância
navegada entre 1604 e 1632 horas, e assim por diante. O ponto de cruzamento das isóbatas
transportadas com a isóbata de 140 m será a posição do navio às 1632 horas, como indica-
do na figura 38.37.
Tanto esta técnica quanto a anterior não devem ser usadas quando a direção do
deslocamento é paralela às isóbatas, ou quando o relevo submarino é pouco acidentado e
apresenta uma declividade uniforme (ou seja, quando as isóbatas são mais ou menos pa-
ralelas entre si e espaçadas de forma aproximadamente igual).
O cume de um monte submarino isolado, localizado por meio do ecobatímetro, tam-
bém pode ser usado para determinar a posição do navio.
Quando não se passa diretamente sobre o tope do acidente, pode ser usada a técni-
ca ilustrada na figura 38.38. Quando o navio se aproxima do monte submarino isolado,
determina-se, com a melhor precisão possível, uma posição e, então, ruma-se direto para
o cume do banco. A figura 38.38a mostra as isóbatas traçadas em torno do cume de um
monte submarino, cuja menor profundidade é 1.130 metros. O navio determinou sua posi-
ção ao Sul do banco e desfechou o rumo 000º, dirigindo-se diretamente para o tope do aci-
dente. No entanto, como mostrado na figura 38.38b, conforme o navio se aproxima do mon-
te submarino, registrando as sondagens a cada minuto, a menor profundidade obtida foi
1.169 metros. Da posição correspondente à sondagem mínima traça-se uma perpendicular
ao rumo do navio (ver a figura 38.38b). À medida que as profundidades passam a aumentar,
fica óbvio que o navio já passou do cume do banco; guina-se, então, de 90º com relação ao
rumo original, assumindo-se, neste exemplo, o rumo de 270º, cruzando novamente sobre o
acidente, de modo a passar o mais próximo possível da posição do cume. As sondagens
são, de novo, anotadas a cada minuto. No segundo rumo, a sondagem mínima obtida foi
1.149 metros. Da posição correspondente, traça-se uma outra perpendicular ao rumo.
A interseção das duas perpendiculares traçadas pelas profundidades mínimas de-
termina a posição do cume do monte submarino relativa às plotagens feitas, ou seja, com
referência à navegação estimada do navio. A direção e a distância que separam esta inter-
seção da posição do cume plotada na carta representa o deslocamento da derrota estima-
da. Assim, a derrota pode ser ajustada e a posição do navio determinada. Este método de
localização do cume de um monte submarino pode ser usado com um cone sonoro de qual-
quer abertura. Essa técnica é muito pouco usada em comparação com as anteriormente
apresentadas e seu uso se prende mais à verificação de acidentes isolados.