美國(guó)麻省理工學(xué)院的工程師團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種導(dǎo)航方法，可讓無(wú)人駕駛車輛在沒(méi)有GPS的情況下在北冰洋精確地導(dǎo)航。

為了讓科學(xué)家們了解北冰洋不斷變化的環(huán)境在全球氣候變化中的作用，有必要在冰蓋下方繪制海洋圖。

北極廣闊而寂寞的冰雪覆蓋下有很多活動(dòng)。氣候變化極大地改變了覆蓋北冰洋大部分地區(qū)的冰層。曾經(jīng)由固體冰袋覆蓋的水域現(xiàn)在被只有3英尺深的薄層覆蓋。在冰下，Beaufort Lens的一部分溫暖的水層改變了水生環(huán)境的構(gòu)成。

為了使科學(xué)家了解北冰洋不斷變化的環(huán)境在全球氣候變化中的作用，有必要繪制冰蓋下方的海洋圖。

機(jī)械和海洋工程學(xué)教授Henrik Schmidt領(lǐng)導(dǎo)的由MIT工程師和海軍軍官組成的團(tuán)隊(duì)試圖了解環(huán)境變化，它們對(duì)水面下聲傳輸?shù)挠绊懸约斑@些變化如何影響在冰層下行駛的車輛的導(dǎo)航和通信。

“基本上，我們想了解的是，全球氣候變化帶來(lái)的這種新的北極環(huán)境如何影響水下聲音在通信，導(dǎo)航和感知中的使用？”Schmidt說(shuō)。

為了回答這個(gè)問(wèn)題，Schmidt與北極海洋自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（LAMSS）的成員一起前往北極，其中包括Daniel Goodwin和Bradli Howard，他們是麻省理工學(xué)院與伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合計(jì)劃的海洋工程研究生。

在海軍研究辦公室的資助下，該團(tuán)隊(duì)參加了由美國(guó)海軍主辦的為期三周的計(jì)劃ICICE（即Ice Exercise）2020，該計(jì)劃由軍事人員，科學(xué)家和工程師并肩工作，執(zhí)行各種任務(wù)。研究項(xiàng)目和任務(wù)。

戰(zhàn)略水路

北極瞬息萬(wàn)變的環(huán)境產(chǎn)生了廣泛的影響。除了為研究人員提供有關(guān)全球變暖的影響及其對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的影響的更多信息外，稀冰還可能在以前不可穿越的地區(qū)開(kāi)辟新的運(yùn)輸路線和貿(mào)易路線。

對(duì)于美國(guó)海軍來(lái)說(shuō)，也許最關(guān)鍵的是，了解變化的環(huán)境也具有地緣政治重要性。

Goodwin說(shuō)：“如果北極環(huán)境在變化，而我們不了解，那可能會(huì)對(duì)國(guó)家安全產(chǎn)生影響。”

幾年前，Schmidt和他的同事，機(jī)械與海洋工程學(xué)教授Arthur Baggeroer最早認(rèn)識(shí)到，保護(hù)鏡頭中一部分溫暖的水域，加上不斷變化的冰成分，影響了聲音在水中的傳播方式。

為了在整個(gè)北極地區(qū)成功導(dǎo)航，美國(guó)海軍和該地區(qū)的其他實(shí)體需要了解聲音傳播的這些變化如何影響車輛在水中進(jìn)行交流和導(dǎo)航的能力。

Schmidt及其團(tuán)隊(duì)使用由通用動(dòng)力飛行系統(tǒng)公司（GD-MS）建造的無(wú)人駕駛自動(dòng)水下航行器（AUV），以及由伍茲霍爾海洋研究所開(kāi)發(fā)的在浮標(biāo)上架設(shè)的傳感器系統(tǒng)，Dan McDonald和Josiah  GD-MS的DeLange著手演示一種新的集成聲學(xué)通信和導(dǎo)航概念。

該框架還受到LAMSS成員Supun Randeni，EeShan Bhatt，Rui Chen和Oscar Viquez以及GobySoft LLC的LAMSS校友Toby Schneider的支持和開(kāi)發(fā)，該框架將使車輛能夠以GPS級(jí)的精度在水中行駛，而使用海洋傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

“為了證明您可以在北極地區(qū)使用這種導(dǎo)航概念，我們必須首先確保我們完全了解我們所處的環(huán)境。” Goodwin補(bǔ)充道。

研究小組準(zhǔn)備部署由通用動(dòng)力任務(wù)系統(tǒng)公司制造的自動(dòng)水下航行器，以測(cè)試其導(dǎo)航概念。

了解下面的環(huán)境

在去年春天到達(dá)北極潛水艇實(shí)驗(yàn)室的冰場(chǎng)之后，研究小組部署了許多電導(dǎo)率-溫度-深度探測(cè)器，以收集有關(guān)北極水生環(huán)境的數(shù)據(jù)。

“通過(guò)使用溫度和鹽度作為深度的函數(shù)，我們計(jì)算出聲速曲線。這有助于我們了解AUV的位置是否有利于交流或不利。”負(fù)責(zé)在整個(gè)ICEX監(jiān)測(cè)水柱環(huán)境變化的Howard說(shuō)。

由于聲音在水中彎曲的方式，通過(guò)稱為斯涅爾定律的概念，正弦狀的壓力波聚集在水柱的某些部分，而分散在其他部分。了解傳播軌跡是預(yù)測(cè)AUV運(yùn)行的好壞位置的關(guān)鍵。

為了繪制出具有最佳聲學(xué)特性的水域圖，Howard使用一種稱為多徑懲罰（MPP）的度量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)傳統(tǒng)的信噪比（SNR）進(jìn)行了修改，該方法對(duì)AUV接收回聲的區(qū)域進(jìn)行了懲罰。消息。結(jié)果，車輛優(yōu)先考慮在混響較少的區(qū)域中的操作。

這些數(shù)據(jù)使團(tuán)隊(duì)能夠準(zhǔn)確識(shí)別車輛在水柱中的位置，以實(shí)現(xiàn)最佳通信，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的導(dǎo)航。

當(dāng)Howard收集有關(guān)水的特性如何影響聲學(xué)的數(shù)據(jù)時(shí)，古德溫著重研究了聲音如何在不斷變化的冰表面上投射和反射。

為了獲得這些數(shù)據(jù)，AUV配備了測(cè)量車輛相對(duì)于上方冰的運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。該聲音被附著在冰上懸掛的系泊裝置上的幾個(gè)接收器所拾取。

然后，研究人員將來(lái)自車輛和接收器的數(shù)據(jù)用于精確計(jì)算給定時(shí)間車輛的位置。該位置信息與Howard在水中的聲學(xué)環(huán)境中收集的數(shù)據(jù)一起，為在北極海中行駛的車輛提供了新的導(dǎo)航概念。

由于北極地區(qū)的惡劣條件而遭受了一系列挫折和挑戰(zhàn)之后，該團(tuán)隊(duì)得以取回了自動(dòng)水下航行器并成功證明了其導(dǎo)航概念的有效性。

保護(hù)北極

在北極地區(qū)惡劣的條件下經(jīng)歷了一系列挫折和挑戰(zhàn)之后，該團(tuán)隊(duì)成功地證明了其導(dǎo)航概念的有效性。得益于團(tuán)隊(duì)的努力，海軍作戰(zhàn)和未來(lái)的商船也許能夠利用北極地區(qū)不斷變化的條件來(lái)最大程度地提高航行精度并改善水下通信。

Howard說(shuō)：“我們的工作可以提高美國(guó)海軍在冰層下安全有效地操作潛艇的能力。”

Howard承認(rèn)，除了自然氣候變化以外，地緣政治氣候也在繼續(xù)變化。這僅增加了改進(jìn)北極地區(qū)航行的需要。

她補(bǔ)充說(shuō)：“美國(guó)海軍的目標(biāo)是通過(guò)確保遍及全球的航行自由來(lái)維護(hù)和平并保護(hù)全球貿(mào)易。”“我們?cè)贗CEX期間證明的導(dǎo)航概念將有助于海軍執(zhí)行該任務(wù)。”