美國麻省理工學院的工程師團隊已經開發出一種導航方法，可讓無人駕駛車輛在沒有GPS的情況下在北冰洋精確地導航。

為了讓科學家們了解北冰洋不斷變化的環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。氣候變化極大地改變了覆蓋北冰洋大部分地區的冰層。曾經由固體冰袋覆蓋的水域現在被只有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境的構成。

為了使科學家了解北冰洋不斷變化的環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。

機械和海洋工程學教授Henrik Schmidt領導的由MIT工程師和海軍軍官組成的團隊試圖了解環境變化，它們對水面下聲傳輸的影響以及這些變化如何影響在冰層下行駛的車輛的導航和通信。

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

為了回答這個問題，Schmidt與北極海洋自動感應系統實驗室（LAMSS）的成員一起前往北極，其中包括Daniel Goodwin和Bradli Howard，他們是麻省理工學院與伍茲霍爾海洋研究所聯合計劃的海洋工程研究生。

在海軍研究辦公室的資助下，該團隊參加了由美國海軍主辦的為期三周的計劃ICICE（即Ice Exercise）2020，該計劃由軍事人員，科學家和工程師并肩工作，執行各種任務。研究項目和任務。

戰略水路

北極瞬息萬變的環境產生了廣泛的影響。除了為研究人員提供有關全球變暖的影響及其對海洋哺乳動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開辟新的運輸路線和貿易路線。

對于美國海軍來說，也許最關鍵的是，了解變化的環境也具有地緣政治重要性。

Goodwin說：“如果北極環境在變化，而我們不了解，那可能會對國家安全產生影響?！?/p>

幾年前，Schmidt和他的同事，機械與海洋工程學教授Arthur Baggeroer最早認識到，保護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。

為了在整個北極地區成功導航，美國海軍和該地區的其他實體需要了解聲音傳播的這些變化如何影響車輛在水中進行交流和導航的能力。

Schmidt及其團隊使用由通用動力飛行系統公司（GD-MS）建造的無人駕駛自動水下航行器（AUV），以及由伍茲霍爾海洋研究所開發的在浮標上架設的傳感器系統，Dan McDonald和Josiah  GD-MS的DeLange著手演示一種新的集成聲學通信和導航概念。

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的支持和開發，該框架將使車輛能夠以GPS級的精度在水中行駛，而使用海洋傳感器進行數據收集。

“為了證明您可以在北極地區使用這種導航概念，我們必須首先確保我們完全了解我們所處的環境?！?Goodwin補充道。

研究小組準備部署由通用動力任務系統公司制造的自動水下航行器，以測試其導航概念。

了解下面的環境

在去年春天到達北極潛水艇實驗室的冰場之后，研究小組部署了許多電導率-溫度-深度探測器，以收集有關北極水生環境的數據。

“通過使用溫度和鹽度作為深度的函數，我們計算出聲速曲線。這有助于我們了解AUV的位置是否有利于交流或不利?！必撠熢谡麄€ICEX監測水柱環境變化的Howard說。

由于聲音在水中彎曲的方式，通過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。了解傳播軌跡是預測AUV運行的好壞位置的關鍵。

為了繪制出具有最佳聲學特性的水域圖，Howard使用一種稱為多徑懲罰（MPP）的度量標準，對傳統的信噪比（SNR）進行了修改，該方法對AUV接收回聲的區域進行了懲罰。消息。結果，車輛優先考慮在混響較少的區域中的操作。

這些數據使團隊能夠準確識別車輛在水柱中的位置，以實現最佳通信，從而實現準確的導航。

當Howard收集有關水的特性如何影響聲學的數據時，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。

為了獲得這些數據，AUV配備了測量車輛相對于上方冰的運動的設備。該聲音被附著在冰上懸掛的系泊裝置上的幾個接收器所拾取。

然后，研究人員將來自車輛和接收器的數據用于精確計算給定時間車輛的位置。該位置信息與Howard在水中的聲學環境中收集的數據一起，為在北極海中行駛的車輛提供了新的導航概念。

由于北極地區的惡劣條件而遭受了一系列挫折和挑戰之后，該團隊得以取回了自動水下航行器并成功證明了其導航概念的有效性。

保護北極

在北極地區惡劣的條件下經歷了一系列挫折和挑戰之后，該團隊成功地證明了其導航概念的有效性。得益于團隊的努力，海軍作戰和未來的商船也許能夠利用北極地區不斷變化的條件來最大程度地提高航行精度并改善水下通信。

Howard說：“我們的工作可以提高美國海軍在冰層下安全有效地操作潛艇的能力?！?/p>

Howard承認，除了自然氣候變化以外，地緣政治氣候也在繼續變化。這僅增加了改進北極地區航行的需要。

她補充說：“美國海軍的目標是通過確保遍及全球的航行自由來維護和平并保護全球貿易?！薄拔覀冊贗CEX期間證明的導航概念將有助于海軍執行該任務?！?/p>