全球定位系统(GPS)不是防水的。导航系统依赖于无线电波，而无线电波在液体中会迅速分解，包括海水。为了追踪无人机或鲸鱼等海底物体，研究人员依靠声音信号。但产生和发送声音的设备通常需要电池——体积庞大、寿命短、需要定期更换的电池。没有他们我们能行吗?
麻省理工学院的研究人员认为可以。他们已经建立了一个无电池定位系统，称为水下后向散射定位(UBL)。UBL不是发射自己的声音信号，而是从环境中反射调制信号。这为研究人员提供了净能量为零的定位信息。尽管该技术仍在发展中，但UBL有朝一日可能成为海洋保护主义者、杏耀气候科学家和美国海军的关键工具。
媒体实验室信号动力学组的成员在本周计算机协会网络热点专题研讨会上发表的一篇论文中描述了这些进展。研究科学家Reza Ghaffarivardavagh领导,以及合作者赛义德萨阿德·阿夫扎尔,Osvy Rodriguez Fadel阿迪,和欧元集团主席,Doherty海洋利用副教授以及麻省理工学院媒体实验室和麻省理工学院的电气工程和计算机科学。
“权力”
要逃脱GPS对现代生活的掌控几乎是不可能的。这项技术依赖于卫星发射的无线电信号，用于航运、导航、定向广告等领域。自20世纪70年代和80年代引入全球定位系统以来，它已经改变了世界。但这并没有改变海洋。如果你不得不躲避GPS，你最好的选择是在水下。
由于无线电波在水中传播时会迅速恶化，海底通讯通常依赖于声波信号。声波在水下比在空气中传播得更快更远，这使得声波成为传输数据的有效方式。但这有一个缺点。
“声音是对权力的渴求，”Adib说。对于产生声音信号的追踪设备，“它们的电池会很快耗尽。”这就使得长时间精确跟踪物体或动物变得困难——换电池不是一件简单的事情，因为电池是装在迁徙的鲸鱼身上的。因此，该团队寻求一种不用电池的方式来使用声音。
良好的振动
Adib的团队转向了一种他们以前用于低功率声波信号的独特资源:压电材料。这些材料产生自己的电荷来响应机械应力，就像被振动的声波震动一样。压电传感器可以利用这种电荷选择性地将一些声波反射回它们的环境中。接收器将反射序列(即反向散射)转换成1(表示反射的声波)和0(表示未反射的声波)的模式。生成的二进制代码可以携带有关海洋温度或盐度的信息。
原则上，同样的技术可以提供位置信息。一个观测单元可以发射声波，然后记录声波从压电传感器反射到观测单元需要多长时间。经过的时间可以用来计算观察者和压电传感器之间的距离。但在实践中，确定这种后向散射的时间是很复杂的，因为海洋可以是一个回音室。
声波并不只是在观测单元和传感器之间直接传播。它们还会在海面和海床之间倾斜，在不同的时间返回单位。Adib说:“你开始遇到这些问题。”“这使得计算位置变得很复杂。”在浅水中，对反射信号的处理是一个更大的挑战，因为海床和水面之间的距离很短，这意味着混杂的反弹信号更强。
研究人员用“跳频”解决了反射问题。观察单元发送一系列不同频率的信号，而不是单一频率的声波信号。每个频率都有不同的波长，所以反射回来的声波以不同的相位返回到观测单元。通过结合有关时间和相位的信息，观察者可以确定到跟踪装置的距离。频率跳跃在研究人员的深水模拟中是成功的，但是他们需要一个额外的保障来穿透浅水的混响噪声。
当回声在海面和海床之间泛滥时，研究人员不得不减缓信息的流动。他们降低了比特率，本质上是延长了观察单元发出的每个信号之间的等待时间。这使得每一位的回声在潜在地干扰下一位之前逐渐减弱。在模拟深水中，2000位/秒的比特率就足够了，而在浅水中，研究人员必须将比特率降低到100位/秒，才能从跟踪器获得清晰的反射信号。但是缓慢的比特率并不能解决所有问题。
为了跟踪移动的物体，杏耀平台研究人员实际上需要提高比特率。每秒一千比特的速度太慢了，无法精确定位一个以每秒30厘米的速度在深水中移动的模拟物体。“当你获得足够的信息来定位物体时，它已经从原来的位置移动了，”阿夫扎尔解释道。他们能够以每秒10,000比特的速度在深水中跟踪目标。
有效的探索
Adib的团队正在努力改进UBL技术，解决浅水区需要的低比特率和跟踪移动需要的高比特率之间的矛盾。他们正在查理斯河做实验“去年冬天我们做了大部分的实验，”罗德里格斯说。其中包括一些在河上结冰的日子。“这不是很愉快。”
除了条件之外，这些测试在具有挑战性的浅水环境下提供了概念验证。UBL估计发射机和后向散射节点之间的距离，在不同的距离，近半米。该团队正在努力增加UBL在该领域的范围，他们希望与位于科德角的伍德霍尔海洋研究所的合作者一起测试该系统。
他们希望UBL能帮助推动海洋探索的蓬勃发展。Ghaffarivardavagh指出，科学家有更好的月球表面地图，而不是海底地图。“我们为什么不能派出无人驾驶的水下航行器去探索海洋呢?”答案是:我们将失去他们，”他说。
终有一天，UBL可以帮助无人驾驶汽车在水下不消耗宝贵的电池能量。这项技术还可以帮助水下机器人更加精确地工作，
杏耀平台总代的感触 ，并提供有关气候变化对海洋影响的信息。Adib说:“有很多应用程序。“我们希望了解海洋的规模。这是一个长期的愿景，但这是我们努力的方向，也是我们感到兴奋的地方。”
这项工作部分得到了海军研究办公室的支持。
