Создан аналог GPS для применения под водой. Ему не нужен источник питания

Системы спутниковой навигации радикально поменяли наше представление о мире. Любой современный гаджет может узнать свое местоположение с точностью до пары метров. И при этом всегда есть возможность синхронизировать время с атомными часами. Однако эта «волшебная палочка» не работает на 71% территории планеты — под водой. Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) смогли решить эту проблему. Причем одновременно избавившись от необходимости в источнике питания.

Для ориентирования на глубине более нескольких метров любым аппаратам — буям, зондам, подводным лодкам и различным роботам — приходится опираться на сложные системы. Они включают в себя гидроакустическое оборудование, инерциальные системы навигации и заложенные в память карты известных участков морского дна. Во многих случаях такой подход требует регулярной корректировки во время всплытия или при помощи коммуникации с надводным судном.

Беда в том, что вода — мощное препятствие для радиоволн практически любой частоты. Военные использовали сверхдлинные волны для передачи коротких сообщений. Но этот метод требует колоссальных размеров передающей антенны и крайне неэффективен. Приемник же должен иметь размеры порядка сотен метров. В арсенале АПЛ могут быть буксируемые буи на длинных тросах, а более компактным аппаратам такая роскошь не по плечу.

Обычно для связи с батискафами или подводными роботами используют длинный кабель. Небольшие зонды или буи для передачи данных всплывают на поверхность, откуда их при желании можно даже забрать. А вот со специальными метками для отслеживания морских животных все еще сложнее. Кита трудно заставить плавать по предсказуемому маршруту. И тем более спокойно ждать, пока биологии заменят батарейку в датчике.

Иными словами, спектр проблем понятен — привычные решения для передачи данных и определения местоположения неэффективны. А проверенные временем методы с использованием гидроакустического оборудования энергозатратны. Тем не менее, как пишет портал ZDNet, инженеры их MIT смогли убить двух зайцев одним выстрелом. Разработанная ими система называется Underwater backscatter localization (UBL, подводная локализация на основе обратного рассеяния).

Секрет заключается в хитром использовании звуковых волн и пьезоэлектриков. Вопреки обыкновению, новый датчик не излучает сам, а лишь отражает принятые сигналы. Когда до UBL в толще воды доходят звуковые волны определенной частоты, в пьезоэлектрических элементах возникает ток. Его достаточно, чтобы отправить в окружающее пространство «копию» полученных колебаний. При необходимости зонд можно сконструировать так, чтобы он подзаряжал батареи для полезной нагрузки за счет фоновых шумов океана.

В результате задача определения местоположения датчика ложится на более продвинутый излучатель. Он может находиться на корабле или на суше, где нет проблем с работой GPS и получением необходимой энергии. Триангуляция датчика производится просто по задержке между отправкой сигнала и получением «отражения». Конечно, все так складно только в теории. На практике американским ученым пришлось столкнуться с целой прорвой сложностей.

Пьезоэлектрики — не самые простые материалы, с которыми работают инженеры. Помимо всего прочего, количество времени, необходимого на активацию (возникновение электрического тока в кристалле) и отражение сигнала, всегда требуется разное. Чтобы обойти эту особенность пьезоэлектрических датчиков, разработали особый метод.

Сигнал отправляется на датчик сразу в определенном диапазоне волн, а не на одной частоте. Волны разной длины возвращаются на приемопередатчик в разной фазе, применив к ним обратные преобразования Фурье, можно точно установить расстояние до отражателя. Еще одна пока не решенная проблема UBL — снижение точности определения местоположения на мелководье. Звуковые волны переотражаются от морского дна и вносят сильные помехи, иногда вовсе заглушая сигнал.

Ученые из MIT обещают что-нибудь придумать, чтобы разобраться и с этой сложностью. Пока что во время экспериментов была достигнута сантиметровая точность геолокации с помощью UBL. Каким будет коммерческое воплощение технологии, пока сказать трудно. Очевидно одно: благодаря ей станут возможны дешевые, точные и массовые зонды для исследования дна Мирового океана.

Источник: Naked Science

Читайте также

Вверх