GPS, czyli Globalny System Pozycjonowania, to popularna metoda określania położenia na Ziemi, jednakże działa ona tylko na lądzie. Pod wodą sygnały GPS nie są w stanie dotrzeć do odbiornika, co uniemożliwia dokładne określenie położenia. Na szczęście naukowcy opracowują alternatywną metodę, która polega na analizie sposobu, w jaki światło słoneczne jest polaryzowane przez wodę. Dzięki temu możliwe jest określenie współrzędnych geograficznych pod wodą.
Zasada działania systemu GPS opiera się na obliczaniu pozycji użytkownika względem co najmniej czterech satelitów, które krążą wokół Ziemi w znanych miejscach. Jednak system ten działa tylko wtedy, gdy może odbierać sygnały radiowe z tych satelitów, ale tylko wówczas gdy te sygnały nie przechodzą przez wodę. Zatem technologia GPS nie może być używana pod wodą do lokalizacji przez nurków, okręty podwodne, czy też pojazdy ROV.
Warto przeczytać:
W dzisiejszych czasach standardową metodą geolokalizacji pod wodą jest wykorzystanie informacji akustycznych, które są uzyskiwane głównie za pomocą technologii sonarowej. Proces ten polega na rozmieszczeniu wielu małych nadajników sonarowych, które wysyłają sygnały dźwiękowe, a następnie triangulują celem dokładnego zlokalizowania obiektu pod wodą. Niestety, urządzenia te działają tylko na niewielkim, określonym obszarze i posiadają pewne ograniczenia pod względem precyzji.
Analiza polaryzacji światła słonecznego
Światło słoneczne przechodzi przez wodę znacznie lepiej niż fale radiowe. Kiedy promienie światła padają na powierzchnię wody, ulegają polaryzacji, co oznacza, że odbite fale świetlne poruszają się wzdłuż jednej płaszczyzny, a nie w wielu różnych kierunkach, jak w powietrzu. Kierunek polaryzacji zależy przede wszystkim od kąta, pod jakim padają promienie słoneczne na powierzchnię wody. Ten kąt różni się w zależności od daty, pory dnia (czyli wysokości słońca) i położenia geograficznego.
Zespół naukowców z Uniwersytetu w Illinois Urbana-Champaign, pod przewodnictwem profesorów Viktora Grueva i Davida Forsytha, podjął się opracowania alternatywnego systemu lokalizacji podwodnej opartego na analizie polaryzacji światła słonecznego. Aby to osiągnąć, naukowcy wykonali około 10 milionów zdjęć podwodnych, korzystając z kamery wyposażonej w specjalny obiektyw.
Zdjęcia zostały zrobione w czterech różnych lokalizacjach: słodkowodnym jeziorze w Illinois, przybrzeżnych wodach Florida Keys, zatoce w mieście Tampa na Florydzie i jeziorze w Macedonii Północnej, w różnych warunkach wodnych, od przejrzystych do mętnych, na różnych głębokościach, w różnych terminach i czasie. Każde ujęcie zostało oznaczone parametrami warunków ich wykonania.
Najczęściej czytane:
Na potrzeby projektu, zastosowano dwie obudowy podwodne z kamerami z portami kopułkowymi, z pełnym odczytem w czasie rzeczywistym z wszystkich sensorów. Dane z kamery były wyświetlane w czasie rzeczywistym na komputerze i były zapisywane na dysku twardym w celu dalszej analizy.
Dzięki zastosowaniu dwóch obudów podwodnych możliwe było porównanie danych zebranych przez obie kamery i dokładniejsze zrozumienie tych zjawisk.
Zastosowane sensory, czyli kamera polaryzacyjna oraz inercyjna jednostka magnetyczna, umożliwiły zbieranie różnych danych. Kamera polaryzacyjna z obiektywem rybie oko była w stanie rejestrować polaryzację świetlną, co pozwalało na analizę zmian w oświetleniu wodnym. Inercyjna jednostka magnetyczna, z kolei, mierzyła przyspieszenie i kąt obrotu, co pozwalało na analizę ruchu i orientacji obudów podwodnych.
Oprogramowanie do akwizycji danych opracowane na potrzeby projektu było kluczowe dla jego sukcesu. Dzięki niemu możliwe było sterowanie obiema obudowami i zbieranie danych ze wszystkich sensorów.
Następnie utworzono bazę danych, która zawierała informacje dotyczące daty, godziny, głębokości oraz wzorców polaryzacji dla każdego wykonanego zdjęcia. Zebrane dane zostały wykorzystane do trenowania głębokiej sieci neuronowej. Sieć uczyła się i analizowała, jak wzorce polaryzacji zmieniają się w przewidywalny sposób w zależności od wspomnianych czynników. Dzięki temu była w stanie określić lokalizację geograficzną, w której zostało wykonane zdjęcie podwodne, na podstawie analizy daty, godziny i wzorca polaryzacji.
Dokładność systemu lokalizacji podwodnej
Obecnie system lokalizacji podwodnej oparty na analizie polaryzacji światła słonecznego jest dokładny w zakresie od 40 do 50 km (25 do 31 mil). Ograniczeniem w jego zastosowaniu jest głębokość, która wynosi w wodach o mniejszej przejrzystości do 8 metrów, a w większej do 50 metrów. Jednak naukowcy mają nadzieję na zwiększenie jego dokładności oraz rozszerzenie zastosowań.
Niestety, na razie rozwiązanie to ma zarówno zalety, jak i ograniczenia, wymaga bowiem odpowiednich warunków oświetleniowych oraz czystości wody, aby uzyskać precyzyjne wyniki.
Zobacz także:
Analiza polaryzacji światła słonecznego jest obiecującą alternatywą, pozwalającą na określenie lokalizacji pod wodą. To innowacyjne rozwiązanie może znaleźć szerokie zastosowanie i może przyczyni się do lepszego zrozumienia środowiska podwodnego i ochrony zasobów morskich.
Źródło: elight.springeropen.com
