“奮斗者”號今日再次萬米深海“自駕游” 如何平安歸來？這3點(diǎn)要知道

正在自駕游的你

 

穿過一個(gè)隧道時(shí)

 

被GPS告知信號弱

 

 

與此同時(shí)

 

馬里亞納海溝

 

剛剛下潛到水下5米的“奮斗者”號GPS信號完全丟失

 

而此時(shí)他的深海之旅才剛剛開始

 

 

接下來，潛航員們該如何在黑暗中知道自己的位置？又該怎樣向著馬里亞納海溝的最深處，摸黑來一場萬米海底“自駕游”？

 

想要在海底來一場說走就走的旅行，要解決三個(gè)問題。

 

首先我們想要知道

 

“奮斗者”號的GPS信號為何會(huì)丟失？

 

 

為此，我們要先知道GPS信號是什么。

 

 

GPS信號是通訊衛(wèi)星向地面接收器發(fā)射的電磁波信號。這些信號由多個(gè)衛(wèi)星同時(shí)計(jì)算得出，目的是精確地推斷出你的位置。不過，電磁波雖然在真空和空氣中有極快的速度，卻難以穿透路上的障礙物。

 

 

同樣，阻擋了“奮斗者”號GPS信號的障礙物，正是它頭頂厚厚的海水。

 

電磁波射入海水后，會(huì)不斷被海水吸收。當(dāng)?shù)竭_(dá)5米深的海水時(shí)，已經(jīng)所剩無幾。

 

沒有了電磁波，“奮斗者”號該如何與外界取得聯(lián)系？又該找誰來給自己定位？  

 

 

這就是“奮斗者”號“說話”的“嘴”——應(yīng)答器，“奮斗者”號入海之后，應(yīng)答器會(huì)間隔固定的時(shí)間不斷放出聲波信號，而科考母船的船底則裝有“耳朵”——換能器。

 

 

這樣，科考母船就可以及時(shí)捕捉到“奮斗者”號的信息，并根據(jù)聲音傳播的時(shí)間測算兩者之間的距離。 

 

知道了距離之后

 

怎樣才能進(jìn)一步獲得

 

“奮斗者”號在海底的準(zhǔn)確位置？

 

 

你知道自己為什么有兩只耳朵嗎？如果你捂住一只耳朵，會(huì)發(fā)現(xiàn)只能通過聲音大小判斷聲源的距離，而無法感覺出它來自哪里。人耳在工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“雙耳效應(yīng)”，通過兩只耳朵接受聲音的時(shí)間差和音量差，判斷音源的空間坐標(biāo)。

 

 

同樣，從這篇國家海洋局的論文中，我們可以看到，母船底部的換能器不止一個(gè)，而是由多個(gè)換能器組成基陣，長這個(gè)樣。

 

 

當(dāng)基陣接受到聲波時(shí)，會(huì)計(jì)算相位差Φ、波長λ和斜距R，由此算出“奮斗者”號的空間坐標(biāo)。之后，這個(gè)坐標(biāo)將被發(fā)送給“奮斗者”號，結(jié)合預(yù)先導(dǎo)入的大地坐標(biāo)和海底地圖，“奮斗者”號就可以知道自己身處何方了。這就是“大海深處的GPS”——水聲定位技術(shù)。

 

 

知道了自己的位置

 

也知道了馬里亞納海溝的最深處在哪

 

就只剩下最后一個(gè)問題了

 

“奮斗者”號如何才能“永往直前”？

 

 

破解問題的方法，是利用“慣性”。

 

 

“奮斗者”號內(nèi)部安裝有一套“慣性導(dǎo)航裝置”，會(huì)通過“加速度計(jì)”和“陀螺儀”等儀器不斷感應(yīng)潛水器的位置、速度、姿態(tài)、方向從而告知潛航員運(yùn)動(dòng)軌跡是否發(fā)生了偏移。而這些儀器精度之高，即使“奮斗者”號的偏移量只有一枚硬幣的厚度，也能馬上被檢測到。

 

 

然而，由于慣性導(dǎo)航內(nèi)部信息積累的特點(diǎn)，潛水器的狀態(tài)測算誤差會(huì)不斷積累，最終可能帶來巨大的位置偏差。1958年，裝備了1套N6-A1慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的美國鸚鵡螺號核潛艇從珍珠港出發(fā)，在歷時(shí)21小時(shí)穿越了北極冰蓋后，與原定目標(biāo)點(diǎn)相差了37千米。

 

 

因此，為了盡可能提高導(dǎo)航精度，“奮斗者”號上還安裝了聲學(xué)多普勒測速儀、高度計(jì)、深度計(jì)和聲學(xué)通信等儀器。測量得到的數(shù)據(jù)將一起參與推算，并最大程度地減小誤差。

 

 

可以說

 

水聲定位和導(dǎo)航技術(shù)讓“奮斗者”號”

 

真正能夠抵達(dá)海洋最深處

 

完成挑戰(zhàn)極限的創(chuàng)舉

 

而這一切的背后

 

是無數(shù)科學(xué)家、工程師對于誤差的錙銖必較

 

現(xiàn)在，這場“自駕游”才剛剛開始

 

而“奮斗者”號的前方

 

還有無數(shù)未知的神秘等待它去探索

 

（總臺央視記者 周旋 宋亮 陳茜 楊理天 張博 楊虓 齊霽 張效瑜 錢榕潔 王浩 丁瀟瀟 李舒鵬 王寧 曹昊軒 賀佳貝 劉琦 王秋君 楊思源 劉柄豪 劉翔 張志鑫 孟琳）