美国麻省理工学院的工程师团队已经开发出一种导航方法，可让无人驾驶车辆在没有GPS的情况下在北冰洋精确地导航。

为了让科学家们了解北冰洋不断变化的环境在全球气候变化中的作用，有必要在冰盖下方绘制海洋图。

北极广阔而寂寞的冰雪覆盖下有很多活动。气候变化极大地改变了覆盖北冰洋大部分地区的冰层。曾经由固体冰袋覆盖的水域现在被只有3英尺深的薄层覆盖。在冰下，Beaufort Lens的一部分温暖的水层改变了水生环境的构成。

为了使科学家了解北冰洋不断变化的环境在全球气候变化中的作用，有必要绘制冰盖下方的海洋图。

机械和海洋工程学教授Henrik Schmidt领导的由MIT工程师和海军军官组成的团队试图了解环境变化，它们对水面下声传输的影响以及这些变化如何影响在冰层下行驶的车辆的导航和通信。

“基本上，我们想了解的是，全球气候变化带来的这种新的北极环境如何影响水下声音在通信，导航和感知中的使用？”Schmidt说。

为了回答这个问题，Schmidt与北极海洋自动感应系统实验室（LAMSS）的成员一起前往北极，其中包括Daniel Goodwin和Bradli Howard，他们是麻省理工学院与伍兹霍尔海洋研究所联合计划的海洋工程研究生。

在海军研究办公室的资助下，该团队参加了由美国海军主办的为期三周的计划ICICE（即Ice Exercise）2020，该计划由军事人员，科学家和工程师并肩工作，执行各种任务。研究项目和任务。

战略水路

北极瞬息万变的环境产生了广泛的影响。除了为研究人员提供有关全球变暖的影响及其对海洋哺乳动物的影响的更多信息外，稀冰还可能在以前不可穿越的地区开辟新的运输路线和贸易路线。

对于美国海军来说，也许最关键的是，了解变化的环境也具有地缘政治重要性。

Goodwin说：“如果北极环境在变化，而我们不了解，那可能会对国家安全产生影响。”

几年前，Schmidt和他的同事，机械与海洋工程学教授Arthur Baggeroer最早认识到，保护镜头中一部分温暖的水域，加上不断变化的冰成分，影响了声音在水中的传播方式。

为了在整个北极地区成功导航，美国海军和该地区的其他实体需要了解声音传播的这些变化如何影响车辆在水中进行交流和导航的能力。

Schmidt及其团队使用由通用动力飞行系统公司（GD-MS）建造的无人驾驶自动水下航行器（AUV），以及由伍兹霍尔海洋研究所开发的在浮标上架设的传感器系统，Dan McDonald和Josiah  GD-MS的DeLange着手演示一种新的集成声学通信和导航概念。

该框架还受到LAMSS成员Supun Randeni，EeShan Bhatt，Rui Chen和Oscar Viquez以及GobySoft LLC的LAMSS校友Toby Schneider的支持和开发，该框架将使车辆能够以GPS级的精度在水中行驶，而使用海洋传感器进行数据收集。

“为了证明您可以在北极地区使用这种导航概念，我们必须首先确保我们完全了解我们所处的环境。” Goodwin补充道。

研究小组准备部署由通用动力任务系统公司制造的自动水下航行器，以测试其导航概念。

了解下面的环境

在去年春天到达北极潜水艇实验室的冰场之后，研究小组部署了许多电导率-温度-深度探测器，以收集有关北极水生环境的数据。

“通过使用温度和盐度作为深度的函数，我们计算出声速曲线。这有助于我们了解AUV的位置是否有利于交流或不利。”负责在整个ICEX监测水柱环境变化的Howard说。

由于声音在水中弯曲的方式，通过称为斯涅尔定律的概念，正弦状的压力波聚集在水柱的某些部分，而分散在其他部分。了解传播轨迹是预测AUV运行的好坏位置的关键。

为了绘制出具有最佳声学特性的水域图，Howard使用一种称为多径惩罚（MPP）的度量标准，对传统的信噪比（SNR）进行了修改，该方法对AUV接收回声的区域进行了惩罚。消息。结果，车辆优先考虑在混响较少的区域中的操作。

这些数据使团队能够准确识别车辆在水柱中的位置，以实现最佳通信，从而实现准确的导航。

当Howard收集有关水的特性如何影响声学的数据时，古德温着重研究了声音如何在不断变化的冰表面上投射和反射。

为了获得这些数据，AUV配备了测量车辆相对于上方冰的运动的设备。该声音被附着在冰上悬挂的系泊装置上的几个接收器所拾取。

然后，研究人员将来自车辆和接收器的数据用于精确计算给定时间车辆的位置。该位置信息与Howard在水中的声学环境中收集的数据一起，为在北极海中行驶的车辆提供了新的导航概念。

由于北极地区的恶劣条件而遭受了一系列挫折和挑战之后，该团队得以取回了自动水下航行器并成功证明了其导航概念的有效性。

保护北极

在北极地区恶劣的条件下经历了一系列挫折和挑战之后，该团队成功地证明了其导航概念的有效性。得益于团队的努力，海军作战和未来的商船也许能够利用北极地区不断变化的条件来最大程度地提高航行精度并改善水下通信。

Howard说：“我们的工作可以提高美国海军在冰层下安全有效地操作潜艇的能力。”

Howard承认，除了自然气候变化以外，地缘政治气候也在继续变化。这仅增加了改进北极地区航行的需要。

她补充说：“美国海军的目标是通过确保遍及全球的航行自由来维护和平并保护全球贸易。”“我们在ICEX期间证明的导航概念将有助于海军执行该任务。”