Megtalálták a megoldást a nettó-nulla energiával működő víz alatti GPS problémájára

ubl_gps.png

Tudjuk, hogy a mai GPS-ek nem vízállóak és nem működnek a víz alatt. Korunk navigációs rendszerei rádióhullámokkal működnek melyek folyadékon, beleértve a tengervizet is gyorsan megszűnnek. Ezért a kutatók az akusztikus jelzésekre támaszkodnak a tenger alatti objektumok például drónok vagy bálnák nyomon követésénél. A hangot generáló és küldő eszközök általában valamilyen akkumulátort vagy elemet igényelnek. Ezek rövid élettartamúak amit a ciklus végével cserélni vagy tölteni kell.

Az MIT kutatói úgy gondolják, hogy lehetséges akkumulátorok vagy elemek nélkül is víz alatti navigációs eszközt létrehozni. Sikerrel megépítettek egy akkumulátor nélküli helymeghatározó rendszert Underwater Backscatter Localization (UBL) néven. Ahelyett, hogy saját akusztikus jeleket bocsátana ki az UBL a modulált jeleket visszaveri a környezetből. Ez a kutatók számára helymeghatározási információkat szolgáltat nettó nulla energián. Bár a technológia még mindig fejlődik, az UBL valamikor a tengervédők, az éghajlat tudósok és az USA haditengerészetének kulcsfontosságú eszközévé válhat.

A tudományos cikket ami részletezi a technológiát a héten mutatták be a Media Lab Signal Kinetics csoportjának tagjai. Reza Ghaffarivardavagh kutató tudós vezette a kutatást karöltve az MIT egyetem Media Lab vezetőjével és docensével.

Energia-hatékonyság

Szinte lehetetlen elkerülni a GPS jelenlétét a modern életünkben. A műholdas rádiójelekre támaszkodó technológiát a hajózásban, a navigációban a célzott reklámozásban és sok egyéb helyen is használják.

Az 1970-es és 80-as évek óta a GPS megváltoztatta a világot. Az óceánokra és tengerekre sokkal kevesebb hatása volt. Ha például el kellene bújni a GPS elől akkor a tengerek, óceánok lennének a legmegfelelőbb helyek mert a rádióhullámok hatótávolságai gyorsan romlanak amikor a vízben haladnak. A tenger alatti kommunikáció gyakran az akusztikus jelekre támaszkodik. A hanghullámok gyorsabban és stabilabban haladnak a víz alatt mint a levegőn keresztül. Ezáltal lesz hatékony az adatok küldésében. De ennek van egy hátránya.

`A hang energiaéhes` - mondta a kutatócsoport egyik tagja. Az akusztikus jeleket adó nyomkövető készülékeknél az akkumulátorok nagyon hamar lemerülhetnek. Ez nagyban megnehezíti a tárgyak vagy állatok hosszú időn keresztül történő pontos nyomon követését. Az akkumulátor cseréje nem egyszerű feladat ha például egy vándor bálnához van rögzítve. Tehát meg kellett oldani az akku nélküli módot a hang alapú GPS használatához.

Jó és rossz rezgések

A kutatócsoport egy egyedülálló erőforráshoz fordult, amelyet korábban alacsony fogyasztású akusztikus jelzésekhez használtak: piezoelektromos anyagokhoz. Ezek az anyagok saját elektromos töltésüket generálják, reagálva a mechanikai igénybevételre, például rezgő hullámok általi pingelésre.

A piezoelektromos érzékelők ezt a töltést felhasználva szelektíven visszavernek néhány hanghullámot a környezetükbe. A vevő a visszaverődési szekvenciát 1s (a visszavert hanghullámok) és 0s (nem tükröződő hanghullámok) mintává alakítja. A kapott bináris kód információt hordozhat az óceán hőmérsékletéről vagy sótartalmáról.

Elvileg ugyanez a technológia szolgáltathat helyinformációkat is. Egy megfigyelési egység hanghullámot bocsáthat ki, majd meg tudja állapítani, hogy mennyi időbe telik a hanghullám visszaverődése, a visszatérés a piezoelektromos érzékelőkről a megfigyelési egységhez. Az eltelt idő felhasználható a megfigyelő és az érzékelő közötti távolság kiszámítására. A gyakorlatban azért nem ilyen egyszerű mert az óceán visszhangkamra is lehet.

A hanghullámok nem csak közvetlenül a megfigyelő egység és az érzékelők között mozognak. A felszín és a tengerfenék között is megtörnek, különböző időpontokban térnek vissza az egységhez.  A visszaverődések kiszűrésében legnagyobb gondot a sekély víz okoz. A rövid távolság azt jelenti, hogy ezek a visszaverődések sokkal erősebbek.

A tudósok `frekvenciaátugrással` győzik le a reflexió kérdését. Ahelyett, hogy akusztikus jeleket küldene egyetlen frekvencián, a megfigyelő egység jelek sorozatát küldi egy frekvenciatartományban. Mindegyiknek más-más a hullámhossza, ezért a visszavert hanghullámok különböző fázisokban térnek vissza a megfigyelési egységbe.

Az időzítésre és a fázisra vonatkozó információk egyesítésével a megfigyelő pontosan meghatározhatja a nyomkövető eszköz távolságát. A `frekvenciaátugrás` sikeresnek bizonyult a mélytengeri szimulációkban, de további bizonyítékra volt szükség a sekély vízi visszhang zajának csökkentéséhez.

Ahol a felszín és a tengerfenék között sok a visszhang, a kutatóknak lassítaniuk kellett az információáramlást. Csökkentették a bitrátát. Lényegében tovább vártak a megfigyelő egység által küldött jelek között. Ez lehetővé tette, hogy egyes bitek visszhangjai elcsendesedjenek mielőtt esetleg beavatkoznának a következő bitbe.

Míg a mélyvízi szimulációban 2000 bit / másodperces bitráta elegendő, a sekély vízben 100 bit / másodpercig kellett csökkenteni, hogy tiszta jelvisszaverődést kapjanak a nyomkövetőből. Ám még ez sem oldott meg minden problémát.

A mozgó tárgyak nyomon követéséhez a kutatóknak növelniük kellett a bitrátát. 1000 bit / másodperc túl lassú volt ahhoz, hogy pontosan meghatározzák a tárgyak helyzetét 30 cm / másodperc sebességgel. Mire elegendő információt kap az objektum lokalizálásához, az már elmozdult helyzetéből. Gyors, 10 000 bit / másodperc sebességgel voltak képesek nyomon követni a mozgó objektumot a mély vízben.

Hatékonyság keresés

A csapat azon dolgozik, hogy javítsa az UBL technológiát. Megoldást kell találni a sekély vízben alacsony bitráta és a nyomon követéshez szükséges magas bitráta közötti ellentétre. Tesztek már bizonyítják, hogy jó irányba haladnak a fejlesztéssel. Teszteket végeztek a Charles folyón nyári és téli időjárási körülmények között. Az UBL közel fél méterig képes volt mérni az adó és a visszaszóró csomópont közötti távolságot.

Remélhetőleg az UBL hozzájárulhat az óceánkutatás fellendüléséhez. Ghaffarivardavagh megjegyzi, hogy a kutatók pontosabb térképpel rendelkeznek a hold felszínéről mint az óceánok fenekéről. Elmondta, hogy azért nem lehet az óceánok fenekét feltérképezni egy drónnal mert az elveszíti a kapcsolatot irányítással.

A sok alkalmazási terület mellett az UBL technológia segítséget nyújthat a tengeralattjáró robotok pontosabb működtetésében és információkat nyújthat az óceán éghajlatváltozásának hatásairól. Ezeket a munkákat részbe a Tengerészeti Kutatási Hivatal is támogatja.

 

forrás: news.mit.edu