04.11.2020
Василий Парфенов

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

Системы спутниковой навигации радикально изменили 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.

Прототип пьезоэлектрического отражателя системы UBL
Прототип пьезоэлектрического отражателя системы UBL / ©Reza Ghaffarivardavagh / MIT

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 из 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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Позавчера, 12:32
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили доказательства того, что доисторическое строение возрастом в 11 тысяч лет использовали для церемониальных действий, а потом преднамеренно засыпали землей.

Позавчера, 13:46
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

Позавчера, 13:37
Ольга Иванова

Американские исследователи пришли к выводу, что человеческий мозг уменьшился из-за процессов глобализации, кооперации и разделения труда.

19 октября
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

Позавчера, 12:32
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили доказательства того, что доисторическое строение возрастом в 11 тысяч лет использовали для церемониальных действий, а потом преднамеренно засыпали землей.

Позавчера, 13:46
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: