據外媒報導，麻省理工學院（MIT）的一個工程師團隊已經開發出一種導航方法，讓自主水下航行器在沒有GPS的情況下在北冰洋準確導航。氣候變化已經極大地改變了覆蓋北冰洋大部分地區的冰層。過去被堅實的冰層覆蓋的水域，現在被只有3英尺深的薄冰層覆蓋。在冰層之下，一個溫暖的水層，即Beaufort Lens的一部分，已經改變了水生環境的構成。

為了讓科學家們了解北冰洋這種不斷變化的環境在全球氣候變化中的作用，有必要對冰蓋下面的海洋進行測繪。

由機械和海洋工程教授Henrik Schmidt領導的麻省理工學院工程師和海軍軍官團隊正試圖了解環境變化，它們對錶面下的聲音傳輸的影響，以及這些變化如何影響在冰層下行駛的航行器的導航和通信。

“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是如何影響利用水下聲音進行通信、導航和感應的？” Schmidt解釋說。

為了回答這個問題， Schmidt與海洋自主傳感系統實驗室(LAMSS)的成員一起前往北極，包括麻省理工學院-伍茲霍爾海洋研究所海洋工程聯合項目的研究生Daniel Goodwin和Bradli Howard。

在海軍研究辦公室的資助下，該團隊參加了冰原演習（ICEX）2020，這是一個由美國海軍主辦的為期三週的項目，軍事人員、科學家和工程師在此並肩工作，執行各種研究項目和任務。

一條戰略水路

北極地區快速變化的環境具有廣泛的影響。除了給研究人員提供更多關於全球變暖的影響及其對海洋哺乳動物影響的信息外，冰層變薄有可能在以前無法穿越的地區開闢新的航道和貿易路線。也許對美國海軍來說最關鍵的是，了解改變後的環境也具有地緣政治的重要性。

Goodwin說：”如果北極環境正在發生變化，而我們卻不了解它，這可能會對國家安全產生影響。

幾年前， Schmidt和他的同事、機械和海洋工程教授Arthur Baggeroer,是最早認識到作為Beaufort Lens的一部分的較溫暖的水域，加上不斷變化的冰層成分，影響了聲音在水中的傳播方式。

北極自主潛水器

為了成功地在整個北極地區進行導航，美國海軍和該地區的其他實體需要了解這些聲音傳播的變化如何影響車輛在水中的通信和導航能力。

Schmidt和他的團隊，在通用動力任務系統公司（GD-MS）的Dan McDonald和Josiah DeLange的幫助下，使用一個由通用動力任務系統公司（GD-MS）製造的無人駕駛的自主水下航行器（AUV），以及一個由伍茲霍爾海洋研究所開發的安裝在浮標上的傳感器系統，著手展示一個新的綜合聲學通信和導航概念。

這個框架也得到了LAMSS成員Supun Randeni、EeShan Bhatt、Rui Chen和Oscar Viquez以及LAMSS校友GobySoft LLC的Toby Schneider的支持和開發，它將允許航行器以GPS級別的精度在水中行駛，同時採用海洋學傳感器進行數據收集。

“為了證明你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充分了解我們所處的環境，”Goodwin補充說。

了解水下的環境

去年春天到達北極海底實驗室的冰雪營地後，研究小組部署了一些電導率-溫度-深度探測器，以收集關於北極地區水生環境的數據。

“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。這有助於我們了解AUV的位置是有利於通信還是不利，”Howard說，他負責在整個ICEX期間監測水柱的環境變化。

由於聲音在水中的傳播方式，壓力波在水柱的某些部分聚集，在其他部分分散。了解傳播軌跡是預測AUV運行的好壞位置的關鍵。為了繪製具有最佳聲學特性的水域區域，Howard通過使用一種被稱為多路徑懲罰（MPP）的指標來修改傳統的信噪比（SNR）。因此，該航行器優先考慮在混響較少的區域進行操作。

這些數據使該團隊能夠準確地確定車輛在水體中的位置，以實現最佳的通信，從而實現準確的導航。

當Howard收集關於水的特性如何影響聲學的數據時， Goodwin則專注於聲音如何從表面不斷變化的冰上投射和反射。

為了獲得這些數據，AUV配備了一個裝置，測量航行器相對於上方冰層的運動。這種聲音被掛在冰面上的幾個接收器所接收。然後，研究人員利用來自車輛和接收器的數據，計算出航行器在特定時間的確切位置。這一位置信息，加上Howard收集的關於水中聲學環境的數據，為在北極海行駛的車輛提供了一個新的導航概念。

保護北極

在經歷了一系列的挫折和由於北極地區嚴酷的條件所帶來的挑戰之後，該團隊能夠成功地證明他們的導航概念是有效的。由於該團隊的努力，海軍行動和未來的貿易船隻可能能夠利用北極地區不斷變化的條件，最大限度地提高導航的準確性並改善水下通信。

“我們的工作可以提高美國海軍在冰下安全和有效地長期操作潛艇的能力，”Howard說。

Howard承認，除了物理氣候的變化之外，地緣政治氣候也在繼續變化。這只會加強在北極地區改進導航的需要。

“美國海軍的目標是通過確保整個世界大洋的航行自由來維護和平和保護全球貿易，”Howard補充說。”我們在ICEX期間證明的導航概念將有助於海軍完成這一任務。”