Прототип подводного навигационного маячка обошелся без батареек

Инженеры разработали подводный навигационный маячок, которому не требуется электропитание. В его основе лежит транспондер, который отвечает на сигналы сонара, и одновременно питается энергией его звуковых волн. Система вычисляет расстояние до транспондера исходя из времени задержки сигнала и его содержания, а для преодоления эха интегрируются сигналы во множестве частотных диапазонов. Статья опубликована в сборнике материалов конференции HotNets ’20: The 19th ACM Workshop on Hot Topics in Networks.

Вода непрозрачна для коротких и средних радиоволн, и потому под водой не работает GPS-навигация. Несколько лет назад сообщалось о разработке акустического GPS для американских подводных лодок, но неясно, будет ли она доступна гражданским лицам. Вдобавок, она не подразумевает возможность создания аналога GPS-трекера — маленького легкого устройства, которое передает данные о своем положении оператору. Однако ихтиологам очень нужен аналог такого прибора для водной среды, поскольку он позволит отслеживать перемещения отдельных рыб. Кроме того, удобное средство навигации пригодится подводным роботам. 

В качестве альтернативного решения последние несколько лет группа инженеров во главе с Резой Гаффаривардавагом (Reza Ghaffarivardavagh) из Массачусетского технологического института разрабатывают эхолокационный маячок-транспондер, который отвечает на сигналы сонара навигационной станции. Станция слушает его ответы, и, исходя из их задержки и скорости звука в воде, вычисляет расстояние до объекта. Минус подобной системы в том, что транспондеру для долгой работы требуется большая батарея, что, опять же, ограничивает мобильность. 

В прошлом году разработчики испытали транспондер, который не требует батареи, а вместо этого с помощью пьезоэлектрического генератора преобразовывает звук сонара в электричество. Однако, тестовый образец не годился сам по себе для навигации, поскольку прежде чем издать ответ, ему необходимо было накапливать электроэнергию в течение времени, длительность которого меняется в зависимости от условий окружающей среды (в пределах сотни миллисекунд). Вдобавок, звук многократно отражается от дна и от поверхности воды, создавая эхо, и потому, когда транспондер наконец ответит, невозможно будет понять, отреагировал он на прямой сигнал или на отраженный.

Сейчас та же исследовательская команда испытала энергонезависимый транспондер и разработала на его основе прототип системы подводной навигации. Высокая точность работы этой системы обеспечивается за счет накопления и анализа большого объема данных. Сначала станция слежения несколько секунд издает импульс на определенной частоте, который промодулирован условным кодом. Затем, когда транспондер накопит энергию, его ответ будет зависеть от того, с какого места он начал читать код. Узнав это место, станция вычислит задержку на сбор энергии, и сделает на нее поправку.

Но точное положение транспондера после этого все еще остается неизвестным, поскольку сигналу мешает эхо. Поэтому, после получения первого отклика станция меняет частоту, и цикл повторяется. Накопив данные в широком диапазоне частот, система на основании большого массива данных вычисляет истинное расстояние до прибора. Когда эхо слишком сильное, например, если дело происходит на мелководье, после получения первого сигнала станция отправляет код с увеличенными промежутками между символами. Это увеличивает время обновления позиции, но дает выигрыш в точности.

Система успешно продемонстрировала работоспособность при испытаниях в реке на дистанции в несколько десятков метров. Рабочая частота менялась в диапазонах от 7,5 до 15 килогерц с шагом 75 герц, каждый импульс длился шесть секунд, что оказалось достаточно для позиционирования медленно движущихся объектов с точностью до десяти сантиметров. Однако, прежде чем на основе этих разработок удастся создать полноценный подводный трекер, сопоставимый с GPS по точности, предстоит решить ряд проблем, в том числе научиться вычислять не только расстояние до транспондера, но и его трехмерное положение в толще воды. Кроме того, неизвестно, с какими проблемами столкнутся инженеры при попытке отмасштабировать систему для работы на многокилометровых дистанциях.

В случае успешной разработки подводные транспондеры сильно помогут ихтиологам, ведь на суше и в воздухе зоологи давно пользуются GPS-трекерами. Например, с их помощью удалось выяснить, как ложные вампиры переживают засушливый период, а также что средиземноморские чайки адаптировались к человеку и предпочитают жить в хозяйственных районах.

Василий Зайцев