• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
04.11.2020
Василий Парфенов
3 373

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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 12:58
Алиса Гаджиева

В Северной Ирландии нашли неолитическое поселение возрастом не менее 5800 лет. Пока не ясно, почему люди обосновались именно там, но известно, что спустя тысячелетия за эти земли воевали могущественные королевства.

Вчера, 07:30
Мария Азарова

Авторы нового исследования провели эксперимент почти с 70 собаками разных пород, чтобы узнать, как они реагируют на вой одного волка и целой стаи.

5 часов назад
Даниил Сухинов

Хотя интуитивно люди склонны думать, что занятия музыкой полезны для их психического здоровья, научные исследования указывают на более сложную и неочевидную связь. В новой работе международная группа ученых обнаружила генетическую корреляцию между увлечением музыкой и психическим здоровьем на примере нескольких тысяч близнецов. Результаты исследования показывают, что у музыкально активных людей существенно повышен генетический риск развития депрессии и биполярного расстройства.

2 февраля
НИУ ВШЭ

Изучая потребление алкоголя, экономисты и социологи обычно связывают его с условиями жизни людей и их человеческим капиталом: образованием, опытом работы, знаниями. Ученые из Лаборатории исследований рынка труда и Лаборатории экономико-социологических исследований НИУ ВШЭ обратили внимание на некогнитивные навыки, формирующиеся в детстве и подростковом возрасте, и выяснили, что эти качества во многом определяют вероятность злоупотребления спиртным и сокращают степень влияния образования.

Вчера, 07:30
Мария Азарова

Авторы нового исследования провели эксперимент почти с 70 собаками разных пород, чтобы узнать, как они реагируют на вой одного волка и целой стаи.

Вчера, 12:58
Алиса Гаджиева

В Северной Ирландии нашли неолитическое поселение возрастом не менее 5800 лет. Пока не ясно, почему люди обосновались именно там, но известно, что спустя тысячелетия за эти земли воевали могущественные королевства.

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

9 января
Александр Березин

Избыточный вес убивает куда больше людей, чем войны с голодом вместе. До самых недавних пор это объясняли то «мусорным» фастудным питанием, то недостаточными физическими нагрузками. Научные работы показывают: эти гипотезы были неверны. За последние полвека сильно потолстели даже лабораторные животные, корм и нагрузки которых не менялись. Эпидемия лишнего веса действительно убийственна, но ее причина не в калориях или нехватке нагрузки. А в чем же? Naked Science исследует для вас этот вопрос.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

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

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

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: