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Ein Team von MIT-Ingenieuren hat eine Navigationsmethode für autonome Fahrzeuge entwickelt, mit der sie ohne GPS genau im Arktischen Ozean navigieren können. Dies berichtete Mary Beth Gallagher von der Maschinenbau Abteilung in einer Pressemitteilung.
Unter den weiten, einsamen Weiten von Eis und Schnee in der Arktis herrscht viel Aktivität. Der Klimawandel hat die Eisschicht, die einen Großteil des Arktischen Ozeans bedeckt, dramatisch verändert. Wasserflächen, die früher von einer festen Eischicht bedeckt waren, sind jetzt von dünnen Schichten bedeckt, die nur noch ein Meter dick sind. Unter dem Eis hat eine warme Wasserschicht, die Teil der Beaufort-Linse ist, die Zusammensetzung der aquatischen Umwelt verändert. Damit Wissenschaftler verstehen, welche Rolle diese sich verändernde Umwelt im Arktischen Ozean für den globalen Klimawandel spielt, muss der Ozean unter der Eisdecke kartiert werden.
Ein Team von MIT-Ingenieuren und Marineoffizieren unter der Leitung von Henrik Schmidt, Professor für Maschinenbau und Meerestechnik, haben versucht Umweltveränderungen, ihre Auswirkungen auf die akustische Übertragung unter der Oberfläche und die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Navigation und Kommunikation von Fahrzeugen unter dem Eis zu verstehen.
„Grundsätzlich möchten wir verstehen, wie sich diese neue arktische Umgebung, die durch den globalen Klimawandel hervorgerufen wird, auf die Verwendung von Unterwasserschall für Kommunikation, Navigation und Wahrnehmung auswirkt.“ erklärt Schmidt.
Um diese Frage zu beantworten, reiste Schmidt mit einigen Mitgliedern des Labors für autonome Meeressensorsysteme (LAMSS) in die Arktis. Mit dabei waren die Doktoranden Daniel Goodwin und Bradli Howard, des gemeinsamen Programms der MIT-Woods Hole Oceanographic Institution für ozeanografische Technik.
Mit Mitteln des Office of Naval Research nahm das Team an ICEX 2000 und Ice Exercise 2020 teil, einem dreiwöchigen Programm der US Navy, bei dem Militärpersonal, Wissenschaftler und Ingenieure Seite an Seite an Forschungsprojekte und Missionen arbeiteten und eine Vielzahl von Aufgaben ausführten.
Eine strategische Wasserstraße
Das sich schnell verändernde Umfeld in der Arktis hat weitreichende Auswirkungen. Das dünner werdende Eis könnte den Forschern nicht nur mehr Informationen über die Auswirkungen der globalen Erwärmung und die Auswirkungen auf Meeressäugetiere geben, sondern möglicherweise auch neue Schifffahrtswege und Handelswege in Gebieten eröffnen, die zuvor nicht befahrbar waren.
Für die US-Marine ist es vielleicht am wichtigste, dass das Verständnis der veränderten Umwelt auch geopolitische Bedeutung hat.
„Wenn sich die arktische Umwelt verändert und wir sie nicht verstehen, könnte dies Auswirkungen auf die nationale Sicherheit haben“, sagt Goodwin.
Vor einigen Jahren erkannten Schmidt und sein Kollege Arthur Baggeroer, Professor für Maschinenbau und Meerestechnik, als eine der ersten, dass das wärmere Wasser, das Teil der Beaufort-Linse ist, zusammen mit der sich ändernden Eiszusammensetzung die Schallwellen im Wasser beeinflusste.
Um erfolgreich durch die Arktis zu navigieren, müssen die US-Marine und andere Einheiten in der Region verstehen, wie sich diese Änderungen der Schallausbreitung auf die Fähigkeit eines Fahrzeugs auswirken, durch das Wasser zu kommunizieren und zu navigieren.
Schmidt und sein Team verwenden ein nicht pilotiertes, autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV), das von General Dynamics-Mission Systems (GD-MS) gebaut wurde und ein System von Sensoren, die an Bojen angebracht sind, die von der Woods Hole Oceanographic Institution entwickelt wurden. Zusammen mit Dan McDonald und Josiah DeLange von GD-MS wollte sie ein neues integriertes akustisches Kommunikations- und Navigationskonzept demonstrieren.
„Um zu beweisen, dass Sie dieses Navigationskonzept in der Arktis verwenden können, müssen wir zunächst sicherstellen, dass wir die Umgebung, in der wir tätig sind, vollständig verstehen“, fügt Goodwin hinzu.
Nachdem das Forscherteam im vergangenen Frühjahr im Lager auf dem Eis des «Arctic Submarine Lab» angekommen war, setzte es eine Reihe von Sonden für Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe ein, um Daten über die aquatische Umwelt in der Arktis zu sammeln.
„Indem wir Temperatur und Salzgehalt als Funktion der Tiefe verwenden, berechnen wir das Profil der Schallgeschwindigkeit. Dies hilft uns zu verstehen, ob der Standort des AUV für die Kommunikation gut oder schlecht ist“, sagt Howard, der für die Überwachung der Umweltveränderungen an der Wassersäule während der gesamten ICEX verantwortlich war.
Aufgrund der Art und Weise, wie sich der Schall im Wasser biegt, sammeln sich sinusartige Druckwellen, das als Snell’sches Gesetz bekannt ist. Das Verständnis der Ausbreitungsverläufe ist der Schlüssel zur Vorhersage guter und schlechter Standorte für den Betrieb des AUV.
Um die Bereiche des Wassers mit optimalen akustischen Eigenschaften abzubilden modifizierte Howard das traditionelle Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) mithilfe einer Metrik, die als Multi-Path-Strafe (MPP) bezeichnet wird und Bereiche ausblendet, in denen das AUV Echos empfängt. Infolgedessen priorisiert das Fahrzeug Operationen in Bereichen mit weniger Hall.
Mit diesen Daten konnte das Team genau identifizieren, wo das Fahrzeug in der Wassersäule positioniert werden sollte, um eine optimale Kommunikation zu gewährleisten, die zu einer genauen Navigation führt.
Während Howard Daten darüber sammelte, wie sich die Eigenschaften des Wassers auf die Akustik auswirken, konzentrierte sich Goodwin darauf, wie Schall vom sich ständig ändernden Eis auf der Oberfläche projiziert und reflektiert wird.
Um diese Daten zu erhalten, wurde das AUV mit einem Gerät ausgestattet, das die Bewegung des Fahrzeugs zum darüber liegenden Eis misst. Dieses Geräusch wurde von mehreren Empfängern aufgenommen, die unter dem Eis befestigt waren.
Die Daten des Fahrzeugs und der Empfänger wurden dann von den Forschern verwendet, um genau zu berechnen, wo sich das Fahrzeug zu einem bestimmten Zeitpunkt befand. Diese Standortinformationen bieten zusammen mit den Daten, die Howard über die akustische Umgebung im Wasser gesammelt hat, ein neues Navigationskonzept für Fahrzeuge, die in der Arktis fahren.
Quelle: Mary Beth Gallagher, Department of Mechanical Engineering