Podwodny system nawigacyjny napędzany dźwiękiem

Podwodne systemy nawigacyjne mogą zapoczątkować zupełnie nową erę w eksploracji oceanów.

GPS nie działa pod wodą. Obecne systemy nawigacyjne opierają się na falach radiowych, które szybko rozchodzą się w cieczach, w tym morzach i oceanach. Aby śledzić obiekty podwodne, trzeba polegać na sygnalizacji akustycznej. Urządzenia, które ją generują i wysyłają dźwięki, wymagają baterii. Niestety są one nieporęczne, krótkotrwałe i wymagają częstej wymiany. Naukowcy MIT opracowali technologię, która nie opiera się na ich użyciu.


Bezbateryjny system namierzania został nazwany Underwater Backscatter Localization (UBL). Zamiast emitować własne sygnały akustyczne, UBL odbija modulowane sygnały ze swojego otoczenia. To dostarcza naukowcom informacji o położeniu przy zerowej energii netto. Chociaż technologia wciąż się rozwija, UBL może pewnego dnia stać się kluczowym narzędziem dla działaczy ochrony środowiska morskiego, klimatologów i marynarki wojennej USA.

„Dźwięk wymaga mocy” - mówi Fadel Adib – naukowiec pracujący przy projekcie. W przypadku urządzeń śledzących, które wytwarzają sygnały akustyczne, ich baterie mogą się bardzo szybko wyczerpać. Utrudnia to precyzyjne śledzenie obiektów lub zwierząt przez długi czas - wymiana baterii nie jest prostym zadaniem, gdy jest przymocowana np. do migrującego wieloryba. Zespół szukał więc sposobu na wykorzystanie dźwięku bez baterii.


Grupa Adib sięgnęła po unikalny zasób, którego wcześniej używali do sygnalizacji akustycznej o niskiej mocy: materiały piezoelektryczne. Materiały te generują swój własny ładunek elektryczny w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne, takie jak uderzenia wibrującymi falami dźwiękowymi. Czujniki piezoelektryczne mogą następnie wykorzystywać ten ładunek do selektywnego odbijania niektórych fal dźwiękowych z powrotem do ich otoczenia. Odbiornik tłumaczy tę sekwencję odbić, zwaną rozproszeniem wstecznym. Wynikowy kod binarny może zawierać informacje o temperaturze oceanu lub zasoleniu.


W zasadzie ta sama technologia może dostarczać informacji o lokalizacji. Jednostka obserwacyjna może emitować falę dźwiękową, a następnie mierzyć, jak długo ta fala dźwiękowa odbija się od czujnika piezoelektrycznego i powraca do jednostki obserwacyjnej. Upływający czas można wykorzystać do obliczenia odległości między obserwatorem a czujnikiem piezoelektrycznym. Ale w praktyce synchronizacja takiego rozproszenia wstecznego jest skomplikowana, ponieważ ocean może być komorą echa.


Fale dźwiękowe nie przemieszczają się tylko bezpośrednio między jednostką obserwacyjną a czujnikiem. Poruszają się także między powierzchnią a dnem morskim, wracając do jednostki w różnym czasie. „Zaczynasz napotykać wszystkie te refleksje” - mówi Adib. „To sprawia, że ​​obliczenie lokalizacji jest skomplikowane”. Uwzględnianie odbić jest jeszcze większym wyzwaniem w płytkiej wodzie - niewielka odległość między dnem morskim a powierzchnią oznacza, że ​​zakłócające sygnały odbicia są silniejsze.


Naukowcy pokonali problem odbicia dzięki „przeskakiwaniu częstotliwości”. Zamiast wysyłać sygnały akustyczne na jednej częstotliwości, jednostka obserwacyjna wysyła sekwencję sygnałów w zakresie częstotliwości. Każda częstotliwość ma inną długość fali, więc odbite fale dźwiękowe wracają do jednostki obserwacyjnej w różnych fazach. Łącząc informacje o czasie i fazie, obserwator może określić odległość do urządzenia śledzącego. Skoki częstotliwości odniosły sukces w symulacjach głębinowych naukowców, ale potrzebowali oni dodatkowego zabezpieczenia, aby przebić się przez odbijający się dźwięk płytkiej wody.


Tam, gdzie między powierzchnią a dnem morskim szaleją echa, naukowcy musieli spowolnić przepływ informacji. Zmniejszyli przepływność, zasadniczo czekając dłużej między każdym sygnałem wysyłanym przez jednostkę obserwacyjną. Pozwoliło to na wyciszenie echa każdego bitu przed potencjalną interferencją z następnym bitem. Podczas gdy szybkość transmisji wynosząca 2000 bitów / sekundę wystarczała w symulacjach głębokiej wody, naukowcy musieli zmniejszyć ją do 100 bitów / sekundę w płytkiej wodzie, aby uzyskać wyraźne odbicie sygnału z trackera.


Naukowcy nadmieniają, że obecnie mamy lepsze mapy powierzchni Księżyca niż dna oceanów. Zespół MIT ma nadzieję, że opracowany przez nich system przyczyni się do zwiększenia eksploracji wód głębinowych


źródło:

https://news.mit.edu/2020/underwater-gps-navigation-1102

https://www.psa.gov.in/web/node/1058


8 wyświetlenia