作者玛丽·贝丝·加拉格尔，麻省理工学院 为了让科学家了解北冰洋不断变化的环境在全球气候变化中扮演的角色，有必要绘制冰层下的海洋地图
信用:特洛伊巴恩哈特，上士，美国
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海军 在北极广阔而孤独的冰雪下有许多活动
气候变化极大地改变了覆盖北冰洋大部分地区的冰层
曾经被固体冰层覆盖的水域现在被只有3英尺深的薄层覆盖
冰下温暖的水层是博福特透镜的一部分，它改变了水环境的构成
为了让科学家了解北冰洋不断变化的环境在全球气候变化中扮演的角色，有必要绘制冰层下的海洋地图
由机械和海洋工程教授亨里克·施密特(Henrik Schmidt)领导的一个麻省理工学院工程师和海军军官团队，正试图了解环境变化、它们对地表下声波传播的影响，以及这些变化如何影响在冰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新北极环境如何影响水下声音在通信、导航和传感方面的应用？”施密特解释道
为了回答这个问题，施密特和自主海洋传感系统实验室(LAMSS)的成员一起去了北极，其中包括丹尼尔·古德温和布拉德利·霍华德，他们是麻省理工学院-伍兹霍尔海洋学研究所海洋学工程联合项目的研究生
在海军研究办公室的资助下，该小组参加了由美国海军主办的为期三周的“2020年ICEX——或称‘冰演习’”
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海军，军事人员、科学家和工程师并肩工作，执行各种研究项目和任务
战略航道 北极迅速变化的环境产生了广泛的影响
除了为研究人员提供更多关于全球变暖的影响及其对海洋哺乳动物的影响的信息，不断变薄的冰层还可能在以前无法通行的地区开辟新的航道和贸易路线
也许对美国来说最重要的是
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海军，了解变化的环境也有地缘政治的重要性
古德温说:“如果北极环境正在改变，而我们不了解它，这可能会对国家安全产生影响。”
几年前，施密特和他的同事、机械和海洋工程教授阿瑟·巴格勒首先认识到，波弗特透镜体的一部分温暖的海水，加上不断变化的冰成分，影响了声音在水中的传播方式
为了成功地在北极航行，美国
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海军和该地区的其他实体需要了解这些声音传播的变化如何影响车辆在水中通信和导航的能力
施密特和他的团队使用由通用动力任务系统公司(GD-MS)建造的无人驾驶自主水下机器人(AUV)，以及由伍兹霍尔海洋学研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)开发的安装在浮标上的传感器系统，与GD-MS的丹·麦克唐纳(Dan McDonald)和乔赛亚·德兰格(Josiah DeLange)一起，开始展示一种新的集成声学通信和导航概念
该框架还得到了LAMSS成员Supun Randeni、EeShan Bhatt、陈睿和Oscar Viquez以及LAMSS校友GobySoft LLC的Toby Schneider的支持和开发，它将允许车辆以全球定位系统级别的精度在水中行驶，同时使用海洋传感器进行数据收集
古德温补充说:“为了证明你可以在北极使用这种导航概念，我们必须首先确保我们完全了解我们所处的环境。”
了解北极
学分:麻省理工学院机械 了解下面的环境 去年春天到达北极潜艇实验室的冰营后，研究小组部署了许多电导率-温度深度探测器来收集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，我们计算了声速剖面
这有助于我们了解水下机器人的位置对通信是好是坏，”霍华德说，他负责监测整个ICEX水柱的环境变化
由于声音在水中弯曲的方式，通过一个被称为斯内尔定律的概念，类似正弦的压力波在水柱的某些部分聚集，在其他部分分散
理解传播轨迹是预测水下机器人运行的好位置和坏位置的关键
为了绘制具有最佳声学特性的水域地图，霍华德修改了传统的信噪比，使用了一种称为多路径惩罚的度量标准，该标准对水下机器人接收信息回波的区域进行惩罚
因此，车辆在混响较少的区域优先运行
这些数据使研究小组能够准确地确定车辆在水柱中的位置，以实现最佳通信，从而实现精确导航
霍华德收集了关于水的特性如何影响声学的数据，古德温则专注于声音是如何从不断变化的冰面上投射和反射出来的
为了获得这些数据，水下机器人配备了一个装置来测量车辆相对于上面冰的运动
那个声音被几个附着在悬挂在冰上的系泊设备上的接收器接收到了
来自车辆和接收器的数据随后被研究人员用来计算车辆在给定时间的准确位置
这些位置信息，加上霍华德收集的关于水中声学环境的数据，为在北冰洋行驶的车辆提供了一个新的导航概念
保护北极 在北极恶劣的条件下经历了一系列的挫折和挑战后，这个团队成功地证明了他们的导航概念是有效的
由于该团队的努力，海军作战和未来的贸易船只可能能够利用北极不断变化的条件来最大限度地提高导航精度和改善水下通信
“我们的工作可以提高美国的能力
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霍华德说:“美国海军将安全有效地在冰层下长时间操作潜艇。”
霍华德承认，除了自然气候的变化，地缘政治气候也在不断变化
这只会增强改善北极航行的需要
“美国
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她补充说:“海军的目标是通过确保全球海洋的航行自由来维护和平和保护全球贸易。”
“我们在ICEX期间证明的导航概念将有助于海军完成这项任务
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