Изучать океан будет проще: подводный GPS запитается от звука

GPS-навигация — настолько успешная технология, что представить сейчас мир без нее было бы сложно. И тем удивительнее, что под водой GPS бесполезна. Причина проста — вода препятствует прохождению радиоволн, от которых зависит система геолокации, и рассеивает их. Именно по этой причине подводные лодки для исследования окружающей среды используют гидролокаторы, а не радары. Там, где луч радара поглощается водой уже через несколько метров, акустические сигналы спокойно проходят тысячи километров.

Ученые Массачусетского технологического института (MIT) разработали акустическую систему, которая действует под водой как GPS, но при этом не требует для работы аккумуляторов. Они назвали ее Underwater Backscatter Localization (UBL) — системой подводной локализации обратного рассеяния. Вместо того, чтобы испускать собственные акустические сигналы, UBL отражает модулированные сигналы из окружающей среды.

По словам ученых MIT, проблема использования акустики для создания подводного эквивалента GPS проста — звук требует энергии. Другими словами, генераторы звуковых сигналов очень энергоемкие. Если для атомной подводной лодки в этом нет никаких трудностей, то для небольших устройств, которые занимаются изучением подводного мира, использование аккумуляторов становится реальной проблемой. Так, устройства слежения, отправляющие акустические сигналы, разряжают аккумуляторы очень быстро, а это затрудняет точное отслеживание объектов или животных в течение длительного времени. Все-таки замена батареи — не самая простая задача, когда эта батарея прикреплена к мигрирующему киту.

Исследователи обратились к пьезоэлектрическим материалам, которые генерируют свой электрический заряд в ответ на механическое воздействие, в том числе на вибрирующие звуковые волны. Для системы UBL ученые использовали пьезоэлектрические датчики, которые используют полученный заряд, чтобы выборочно отражать отдельные звуковые волны обратно в окружающую среду. Источником энергии выступают сами звуковые волны. Затем акустические волны улавливались приемником, который преобразовывал их в двоичный код, где 1 — отраженные звуковые волны, а 0 — не отраженные.

Код мог нести в себе информацию о температуре или солености воды, а также о местоположении, вычисляя время, в течение которого звуковая волна отражается от датчика и затем возвращается обратно в блок наблюдения.

На пути ученых возникла еще одна проблема. В подводной среде звуковые волны отражаются как от поверхности, так и от морского дна — то есть они не просто проходят непосредственно между блоком наблюдения и датчиком, а также курсируют между поверхностью и дном, возвращаясь в установку в разное время. Это сильно затрудняет установку точного местоположения, что особенно заметно на мелководье, где отражение сильнее.

Проблему решили при помощи скачкообразной перестройки частоты. Вместо того, чтобы посылать акустические сигналы на одной частоте, устройство наблюдения отправляло последовательные сигналы в определенном диапазоне частот. Каждая частота имеет разную длину волны, поэтому отраженные звуковые волны возвращаются к устройству наблюдения в разных фазах. Комбинируя информацию о времени и фазе, наблюдатель может точно определить расстояние до устройства слежения и скорректировать погрешность.

На мелководье битрейт сигналов снизили, увеличив время ожидания между каждым сигналом, чтобы дать возможность эхо-сигналу каждого бита утихнуть и не мешать следующим битам. Если на большой глубине было достаточно битрейта 2000 бит/с, то на мелководье его снизили до 100 бит/с, чтобы получить четкое отражение сигнала.

На данный момент система UBL прошла испытание на мелководье, где с ее помощью получилось определить расстояния с точностью до 50 см.

Ученые работают над улучшением технологии — еще есть проблемы вроде конфликта между низким битрейтом, необходимым на мелководье, и высоким битрейтом, необходимым для отслеживания движения. Следующим шагом будет увеличение диапазона UBL на испытаниях в полевых условиях. А конечная цель — создание полноценной навигационной технологии, которая позволит автономным транспортным средствам долго оставаться под водой, делать подробные карты дна океана и изучать, как изменения климата влияют на мировой океан.