MIT开发新方法 让自主水下航行器在没有GPS的情况下在北冰洋准确导航
据外媒报道，麻省理工学院（MIT）的一个工程师团队已经开发出一种导航方法，让自主水下航行器在没有GPS的情况下在北冰洋准确导航。气候变化已经极大地改变了覆盖北冰洋大部分地区的冰层。过去被坚实的冰层覆盖的水域，现在被只有3英尺深的薄冰层覆盖。在冰层之下，一个温暖的水层，即Beaufort Lens的一部分，已经改变了水生环境的构成。
为了让科学家们了解北冰洋这种不断变化的环境在全球气候变化中的作用，有必要对冰盖下面的海洋进行测绘。
由机械和海洋工程教授Henrik Schmidt领导的麻省理工学院工程师和海军军官团队正试图了解环境变化，它们对表面下的声音传输的影响，以及这些变化如何影响在冰层下行驶的航行器的导航和通信。
“基本上，我们想了解的是，全球气候变化带来的这种新的北极环境是如何影响利用水下声音进行通信、导航和感应的？” Schmidt解释说。
为了回答这个问题， Schmidt与海洋自主传感系统实验室(LAMSS)的成员一起前往北极，包括麻省理工学院-伍兹霍尔海洋研究所海洋工程联合项目的研究生Daniel Goodwin和 Bradli Howard。
在海军研究办公室的资助下，该团队参加了冰原演习（ICEX）2020，这是一个由美国海军主办的为期三周的项目，军事人员、科学家和工程师在此并肩工作，执行各种研究项目和任务。
一条战略水路
北极地区快速变化的环境具有广泛的影响。除了给研究人员提供更多关于全球变暖的影响及其对海洋哺乳动物影响的信息外，冰层变薄有可能在以前无法穿越的地区开辟新的航道和贸易路线。也许对美国海军来说最关键的是，了解改变后的环境也具有地缘政治的重要性。
Goodwin说："如果北极环境正在发生变化，而我们却不了解它，这可能会对国家安全产生影响。
几年前， Schmidt和他的同事、机械和海洋工程教授Arthur Baggeroer,是最早认识到作为Beaufort Lens的一部分的较温暖的水域，加上不断变化的冰层成分，影响了声音在水中的传播方式。
北极自主潜水器
为了成功地在整个北极地区进行导航，美国海军和该地区的其他实体需要了解这些声音传播的变化如何影响车辆在水中的通信和导航能力。
Schmidt和他的团队，在通用动力任务系统公司（GD-MS）的Dan McDonald和Josiah DeLange的帮助下，使用一个由通用动力任务系统公司（GD-MS）制造的无人驾驶的自主水下航行器（AUV），以及一个由伍兹霍尔海洋研究所开发的安装在浮标上的传感器系统，着手展示一个新的综合声学通信和导航概念。
这个框架也得到了LAMSS成员Supun Randeni、EeShan Bhatt、Rui Chen和Oscar Viquez以及LAMSS校友GobySoft LLC的Toby Schneider的支持和开发，它将允许航行器以GPS级别的精度在水中行驶，同时采用海洋学传感器进行数据收集。
"为了证明你可以在北极地区使用这种导航概念，我们必须首先确保我们充分了解我们所处的环境，"Goodwin补充说。
了解水下的环境
去年春天到达北极海底实验室的冰雪营地后，研究小组部署了一些电导率-温度-深度探测器，以收集关于北极地区水生环境的数据。
"通过使用温度和盐度作为深度的函数，我们计算出声速曲线。这有助于我们了解AUV的位置是有利于通信还是不利，"Howard说，他负责在整个ICEX期间监测水柱的环境变化。
由于声音在水中的传播方式，压力波在水柱的某些部分聚集，在其他部分分散。了解传播轨迹是预测AUV运行的好坏位置的关键。 为了绘制具有最佳声学特性的水域区域，Howard通过使用一种被称为多路径惩罚（MPP）的指标来修改传统的信噪比（SNR）。因此，该航行器优先考虑在混响较少的区域进行操作。
这些数据使该团队能够准确地确定车辆在水体中的位置，以实现最佳的通信，从而实现准确的导航。
当Howard收集关于水的特性如何影响声学的数据时， Goodwin则专注于声音如何从表面不断变化的冰上投射和反射。
为了获得这些数据，AUV配备了一个装置，测量航行器相对于上方冰层的运动。这种声音被挂在冰面上的几个接收器所接收。然后，研究人员利用来自车辆和接收器的数据，计算出航行器在特定时间的确切位置。这一位置信息，加上Howard收集的关于水中声学环境的数据，为在北极海行驶的车辆提供了一个新的导航概念。
保护北极
在经历了一系列的挫折和由于北极地区严酷的条件所带来的挑战之后，该团队能够成功地证明他们的导航概念是有效的。由于该团队的努力，海军行动和未来的贸易船只可能能够利用北极地区不断变化的条件，最大限度地提高导航的准确性并改善水下通信。
"我们的工作可以提高美国海军在冰下安全和有效地长期操作潜艇的能力，"Howard说。
Howard承认，除了物理气候的变化之外，地缘政治气候也在继续变化。这只会加强在北极地区改进导航的需要。
"美国海军的目标是通过确保整个世界大洋的航行自由来维护和平和保护全球贸易，"Howard补充说。"我们在ICEX期间证明的导航概念将有助于海军完成这一任务。"