28/04/2021
Door Ad Spijkers
Een team van ingenieurs van het MIT heeft een navigatiemethode ontwikkeld om autonome voertuigen zonder GPS nauwkeurig te navigeren in de Noordelijke IJszee.
Door klimaatverandering is de ijslaag die een groot deel van de Noordelijke IJszee bedekt, drastisch veranderd. Gebieden met water die vroeger bedekt waren met een stevig ijspak, zijn nu bedekt met dunne lagen van slechts een meter dik. Onder het ijs heeft een laag warm water de samenstelling van het watermilieu veranderd.
Gezamenlijk onderzoek
Om te begrijpen welke rol deze veranderende omgeving in de Noordelijke IJszee speelt bij de wereldwijde klimaatverandering, is het nodig om de oceaan onder de ijslaag in kaart te brengen. Een team van ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology en officieren van de Amerikaanse marine probeert veranderingen in de omgeving, hun impact op akoestische transmissie onder het oppervlak te begrijpen. Ook willen ze weten hoe deze veranderingen de navigatie en communicatie beïnvloeden voor vaartuigen onder het ijs.
Om deze vraag te beantwoorden, reisde een team onderzoekers naar het noordpoolgebied. Ze namen deel aan een programma van de Amerikaanse marine, waar militair personeel, wetenschappers en ingenieurs zij aan zij werken aan een verscheidenheid aan onderzoeksprojecten en missies.
Het project geeft ze onderzoekers meer informatie over de impact van de opwarming van de aarde en de effecten die dit heeft op zeezoogdieren. Ook zou het dunner wordende ijs mogelijk nieuwe scheepvaartroutes en handelsroutes kunnen openen in gebieden die voorheen niet te doorkruisen waren. Voor de Amerikaanse marine is het begrijpen van de veranderde omgeving ook van geopolitiek belang. Het kan zelfs gevolgen hebben voor de nationale veiligheid.
Onderwaterrobot
Met behulp van een onbemand autonoom onderwatervoertuig (AUV), gebouwd door General Dynamics Mission Systems (GD-MS), wilden de onderzoekers een nieuw geïntegreerd akoestisch communicatie- en navigatieconcept demonstreren. Dit bestaat uit een systeem van sensoren gemonteerd op boeien. Het raamwerk zou het mogelijk maken dat vaartuigen met een nauwkeurigheid van GPS-niveau door het water reizen. Ze gebruik daarbij oceanografische sensoren voor het verzamelen van gegevens.
Om te bewijzen dat dit navigatieconcept in het noordpoolgebied is te gebruiken, moesten ze eerst de omgeving waarin die vaartuigen opereren volledig begrijpen. Om gegevens te verzamelen over het aquatisch milieu in het noordpoolgebied 0is een aantal sondes voor geleidbaarheid, temperatuur en diepte ingezet. Door temperatuur en zoutgehalte als functie van diepte te gebruiken, is het geluidssnelheidsprofiel te berekenen. Dit helpt te begrijpen of de locatie van de AUV goed of slecht is voor communicatie of slecht is.
Met deze gegevens kon het team precies bepalen waar het voertuig in de waterkolom moest worden geplaatst voor optimale communicatie, wat resulteert in nauwkeurige navigatie.
Projectie en weerkaatsing
Terwijl een deel van de onderzoekers gegevens verzamelde hoe de eigenschappen van het water de akoestiek beïnvloeden, concentreerden anderen zich op hoe geluid wordt geprojecteerd en weerkaatst door het steeds veranderende ijs op het oppervlak. Hiertoe werd de AUV voorzien van een apparaat dat de beweging van het voertuig ten opzichte van het ijs erboven meet. Dat geluid werd opgevangen door verschillende ontvangers die waren vastgemaakt aan ankerplaatsen die aan het ijs hingen.
De gegevens van het voertuig en de ontvangers werden vervolgens gebruikt om precies uit te rekenen waar het voertuig zich op een bepaald moment bevond. Deze locatie-informatie, samen met de gegevens over de akoestische omgeving in het water, bieden een nieuw navigatieconcept voor voertuigen die in de Noordelijke IJszee reizen.
Foto: Troy Barnhart, Chief Petty Officer, U.S. Navy