Под огромными пустынными просторами изо льда и снега Арктики кипит жизнь. Изменение климата резко изменило слой льда, покрывающий большую часть Северного Ледовитого океана. Области воды, которые раньше были покрыты твердым слоем льда, теперь покрыты тонкими слоями толщиной меньше 1 метра. Подо льдом теплый слой воды, являющийся частью линзы Бофорта, изменил состав водной среды.
Чтобы ученые поняли роль, которую эта изменяющаяся среда Северного Ледовитого океана играет в глобальном изменении климата, необходимо нанести на карту океан под ледяным покровом.
Команда инженеров Массачусетского технологического института и военно-морских офицеров во главе с Хенриком Шмидтом, профессором машиностроения и океанологии, пытается понять изменения окружающей среды, их влияние на передачу звука под поверхностью и то, как эти изменения влияют на навигацию и связь для транспортных средств, путешествующих подо льдом.
По сути, исследователи хотят понять, как эта новая арктическая среда, вызванная глобальным изменением климата, влияет на использование подводного звука для связи, навигации и зондирования?
Чтобы ответить на этот вопрос, Шмидт отправился в Арктику с членами Лаборатории автономных систем морского зондирования (LAMSS), включая Дэниела Гудвина и Брэдли Ховарда, аспирантов совместной программы океанографического института Массачусетского технологического института и Вудс-Хоул.
При финансовой поддержке Управления военно-морских исследований команда участвовала в ICEX - или Ice Exercise - 2020, трехнедельной программе, организованной ВМС США, где военнослужащие, ученые и инженеры работают бок о бок, выполняя различные задачи. исследовательские проекты и миссии.
Стратегический водный путь
Быстро меняющаяся окружающая среда в Арктике имеет самые разные последствия. Помимо предоставления исследователям дополнительной информации о влиянии глобального потепления и его влиянии на морских млекопитающих, истончение льда потенциально может открыть новые морские пути и торговые пути в районах, которые ранее были недоступны.
Возможно, наиболее важным для военно-морского флота США является понимание изменившейся среды также имеет геополитическое значение. Несколько лет назад Шмидт и его коллега Артур Баггероер, профессор механики и океанической инженерии, были одними из первых, кто осознал, что более теплые воды, являющиеся частью линзы Бофорта, в сочетании с изменяющимся составом льда влияют на то, как звук распространяется в воде.
Чтобы успешно перемещаться по Арктике, ВМС США и другие организации в регионе должны понимать, как эти изменения в распространении звука влияют на способность транспортного средства общаться и перемещаться по воде.
Используя беспилотный автономный подводный аппарат (AUV), созданный General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), и систему датчиков, установленных на буях, разработанную Океанографическим институтом Вудс-Хоул, Шмидт и его команда, к которым присоединились Дэн Макдональд и Джозия. Деланж из GD-MS намеревался продемонстрировать новую интегрированную концепцию акустической связи и навигации.
Структура, которая также была поддержана и развита членами LAMSS Supun Randeni, EeShan Бхатт, Руи Чена, и Оскар Viquez, а также LAMSS выпускником Toby Шнайдер GobySoft LLC, позволит автомобили путешествовать по воде с GPS-уровня точности в то время как использование океанографических датчиков для сбора данных.
Понимание подледной среды
Прибыв прошлой весной в ледовый лагерь Arctic Submarine Lab, исследовательская группа развернула ряд зондов проводимости, температуры и глубины для сбора данных о водной среде в Арктике. Используя температуру и соленость в зависимости от глубины, инжинеры рассчитываем профиль скорости звука. Это помогает нам понять, хорошо ли расположение АПА для связи или плохо.
Из-за того, как звук изгибается в воде, благодаря концепции, известной как закон Снеллиуса, синусоидальные волны давления собираются в одних частях водной толщи и рассеиваются в других. Понимание траекторий распространения является ключом к прогнозированию хороших и плохих мест для работы АПА.
Чтобы нанести на карту участки воды с оптимальными акустическими свойствами, Ховард модифицировал традиционное отношение сигнал/шум (SNR), используя метрику, известную как штраф за многолучевость (MPP), которая штрафует области, где AUV принимает эхо-сигналы сообщения. В результате автомобиль отдает предпочтение операциям в областях с меньшей реверберацией. Эти данные позволили команде точно определить, где транспортное средство должно быть расположено в толще воды для оптимальной связи, что приводит к точной навигации.
Пока одна гурппа собирала данные о том, как характеристики воды влияют на акустику, другая сосредоточилась на том, как звук проецируется и отражается от постоянно меняющегося льда на поверхности. Чтобы получить эти данные, АПА был оснащен устройством, измеряющим движение транспортного средства относительно льда наверху. Этот звук уловили несколько приемников, прикрепленных к якорям, свисающим со льда.
Затем исследователи использовали данные от транспортного средства и приемников, чтобы точно вычислить, где транспортное средство находилось в данный момент. Эта информация о местоположении вместе с данными, об акустической среде в воде, предлагает новую навигационную концепцию для транспортных средств, путешествующих в Арктическом море.
После серии неудач и проблем из-за суровых условий в Арктике команда смогла успешно доказать, что их навигационная концепция работает. Благодаря усилиям команды военно-морские операции и будущие торговые суда смогут воспользоваться изменяющимися условиями в Арктике, чтобы максимально повысить точность навигации и улучшить подводную связь.