Спутниковые системы навигации коренным образом преобразовали наше восприятие мира. Современные устройства способны определять свое местоположение с точностью до нескольких метров. Кроме того, всегда доступна синхронизация времени с атомными часами. Однако эта технология не функционирует на 71% поверхности Земли — в водной среде. Специалисты из Массачусетского технологического института (MIT) нашли решение этой проблемы. Более того, им удалось устранить необходимость в источнике питания.
Чтобы ориентироваться на глубине свыше нескольких метров, будь то буи, зонды, подводные лодки или подводные роботы, необходимы сложные системы. В их состав входят гидроакустическое оборудование, инерциальные навигационные системы и карты морского дна, сохранённые в памяти. Часто требуется регулярная корректировка данных во время всплытия или посредством связи с надводным судном.
Вода существенно затрудняет распространение радиоволн, независимо от их частоты. Для передачи кратких сообщений военные применяли сверхдлинные волны, однако этот способ сопряжен с необходимостью использования огромных передающих антенн и характеризуется низкой эффективностью. Приемные устройства, использующие этот метод, должны обладать размерами в сотни метров. Атомные подводные лодки могут оснащаться буксируемыми буями, соединенными длинными тросами, но более компактные аппараты не имеют такой возможности.
Обычно для связи с батискафами или подводными роботами используется длинный кабель. Небольшие зонды или буи применяются для передачи данных на поверхность, откуда их можно извлечь при необходимости. Однако использование специальных меток для отслеживания морских животных остается более сложной задачей. Трудно обеспечить предсказуемую траекторию движения кита, а также сложно ожидать, что он спокойно будет ждать, пока биологи заменят батарейку в датчике.
По сути, круг проблем ясен: традиционные подходы к передаче данных и определению местоположения оказываются неэффективными. Кроме того, давно зарекомендовавшие себя способы, основанные на гидроакустическом оборудовании, требуют значительных затрат энергии. Однако, как пишет портал ZDNet, инженеры из MIT нашли способ решить сразу две задачи. Разработанная ими система получила название Underwater backscatter localization (UBL, подводная локализация, основанная на методе обратного рассеяния).
Секрет кроется в умелом применении звуковых волн и пьезоэлектрических элементов. В отличие от традиционных решений, новый датчик не генерирует собственные сигналы, а лишь фиксирует отраженные. 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.
Определение местоположения датчика возлагается на более совершенный излучатель. Он может располагаться на корабле или на наземной станции, где обеспечиваются условия для его нормальной работы 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.
Работа с пьезоэлектрическими материалами представляет собой непростую задачу для инженеров. Время, необходимое для активации кристалла и отражения сигнала, всегда различается. Для решения этой проблемы, присущей пьезоэлектрическим датчикам, был разработан специальный метод.
Сигнал передается на датчик в заданном диапазоне волн, а не на одной частоте. Волны различной длины возвращаются к приемопередатчику с разными фазами, и после применения обратного преобразования Фурье можно с высокой точностью определить расстояние до отражающего объекта. Еще одна пока не решенная проблема UBL — снижается точность определения местоположения в мелководных районах. Звуковые волны, отражаясь от дна, создают значительные помехи и в некоторых случаях полностью блокируют 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. На данном этапе сложно предсказать, как именно технология будет реализована в коммерческом плане. Однако уже сейчас ясно, что она позволит создавать недорогие, точные и широкодоступные аппараты для изучения океанического дна.