Глоток свежего воздуха: беспилотные надводные аппараты наносят на карту зону гипоксии в Мексиканском заливе.

Два катера SeaTrac SP-48 в Мексиканском заливе. Фото: USM/SeaTrac Systems

Научный метод служит стандартом для исследований, направляя аналитические и исследовательские проекты. Хотя его преподают поколениям студентов, его этапы далеко не устарели, поскольку технологические достижения помогают исследователям развивать и модернизировать каждый из его этапов, экономя время, деньги и даже жизни. Сбор данных, средний этап научного метода, не является исключением. Многие проекты требуют надежных наборов данных, часто собираемых в экстремальных условиях или в течение длительных периодов времени. Университет Южного Миссисипи (USM) с помощью компании SeaTrac Systems обратился к автономным решениям при проведении исследований гипоксии в Мексиканском заливе.

Партнерство, в которое входит Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA), занимается картированием потенциальной гипоксии в Мексиканском заливе и ее влиянием на местное рыболовство и популяции рыб. Гипоксические зоны, также известные как мертвые зоны, — это участки воды, в которых уровень кислорода снижается из-за загрязнения питательными веществами, что часто оказывает значительное влияние на водную жизнь. Недавно в рамках сотрудничества был успешно завершен второй этап проекта, основанный на предыдущем этапе и выходящий за рамки проверки концепции, с развертыванием нескольких беспилотных надводных аппаратов SP-48. «Это очень трудоемкая, примитивная операция с использованием большого исследовательского судна», — сказал Джеймс Томпсон из USM. «Мы подошли к этому с точки зрения беспилотных аппаратов; мы можем модернизировать это с помощью инструментов, которые доступны сейчас».

Пикап среди беспилотных летательных аппаратов

Главным объектом этого исследования является беспилотный надводный аппарат SP-48, что расшифровывается как «на солнечной энергии» и «4,8 метра». При длине около 15 футов и весе примерно 650 фунтов он может работать круглосуточно в течение нескольких месяцев благодаря большому массиву солнечных панелей на палубе, которые заряжают внутренний аккумулятор. Он предназначен для работы как в прибрежной зоне, так и в открытом море; в рамках этого проекта беспилотный аппарат может находиться на расстоянии от пяти до 40 миль. «Само судно представляет собой платформу для сбора данных», — сказал Хоби Бошенштайн, директор по операциям и развитию бизнеса в SeaTrac. «Мы рассматриваем его как пикап, где сама платформа не очень полезна для кого-либо. Главное — это полезная нагрузка, которую можно на него установить, и возможность быстро заменять её на другие устройства — будь то гидролокаторы, датчики качества воды или океанографические датчики».

Беспилотный надводный аппарат SeaTrac SP-48. Фото: USM/SeaTrac Systems

На протяжении всех этапов проекта компании SeaTrac и USM вносили изменения в беспилотный надводный аппарат, чтобы сделать его более универсальным и надежным в плане сбора данных. «В частности, для этого проекта, — добавил Бошенштайн, — основные усилия с нашей стороны были направлены на разработку лебедки и обеспечение возможности профилирования до морского дна. В ходе проекта мы значительно расширили возможности связи, добавив такие устройства, как Starlink Mini, по сравнению с началом работ».

«Он настолько универсален с точки зрения того, что мы можем на него установить. Мы тестировали камеры, тестировали технологии предотвращения столкновений — множество разных вещей во время этой миссии по исследованию гипоксии. Это лишь подтверждает, насколько гибким является этот корабль», — подтвердил Томпсон. «Еще одна вещь, которую мы собрали, просто потому что могли, — это данные об акустических течениях. Это действительно как пикап. На борт можно установить столько всего, а с учетом размера батареи и возможности генерировать такое количество солнечной энергии, это кардинально меняет ситуацию».

Первый этап

Первый этап проекта в основном служил для проверки концепции, тестирования транспортных средств и различных датчиков, а также их способности собирать необходимые данные. «Мы многое узнали о том, что нужно было доработать, чтобы это заработало», — сказал Томпсон. «И мы это сделали, причем намного лучше, чем ожидали».

Логичным шагом стало тестирование более длительных исследований, оценка различных конфигураций датчиков и одновременная работа нескольких беспилотных надводных аппаратов в разных режимах. «Мы поняли, — добавил Томпсон, — что аппарат может вырабатывать всю эту энергию, но мы не использовали её в полной мере». Они переключили датчики на питание или подзарядку от беспилотного надводного аппарата, что существенно повлияло на объем собираемых данных. «Нам не нужно было ограничиваться мощностью, доступной в датчиках. Мы могли собирать всё больше и больше данных. И это показало преимущество возможности не только достигать определённых координат, которые мы будем достигать каждый год, но и находить точки изменения границы гипоксии, точно определяя их, беря дополнительные образцы данных».

Компания SeaTrac принимала активное участие в этом проекте на начальном этапе, разрабатывая новые функции, такие как лебедка для переноса датчиков с поверхности на морское дно. «Очень важная часть картирования гипоксии — это достижение глубины в пределах метра от морского дна», — сказал Бошенштайн. «В противном случае вы упустите важные данные. Большая часть наших усилий по разработке была направлена на то, как обеспечить полное погружение зонда на дно. Мы тесно сотрудничали с командой USM, чтобы изучить различные способы достижения этой цели, и в конечном итоге разработали систему, которая использует набор программных параметров для обнаружения провисания троса и определения: «Хорошо, звук находится на дне; ближе подобраться нельзя».

«Когда мы ищем наиболее значимые последствия гипоксии для рыболовства, мы обращаем внимание на слой, расположенный у дна, где обитают все донные организмы. Очевидно, что если они не могут подняться и выбраться из этого слоя, это повлияет на их метаболизм и продуктивность», — объяснил Томпсон.

«Возможность доставить датчики на самое дно и с уверенностью знать, что они находятся в нижнем слое воды, а затем в режиме реального времени отслеживать ситуацию и говорить: „Да, мы по-прежнему обнаруживаем низкий уровень кислорода, давайте продвинемся дальше на юг и посмотрим, сможем ли мы найти границу, где вода снова насыщена кислородом“. Возможность корректировать миссию на ходу и быть уверенным в получении необходимых данных была абсолютно критически важна».

Космический катер SP-48 в воде. Фото: USM/SeaTrac Systems

Фотографии, сделанные подводной лодкой SP-48 в море, включая снимки в неблагоприятных погодных условиях и наблюдение за дикими животными. Фото: USM/SeaTrac Systems

Второй этап и далее

На втором этапе USM одновременно задействовала несколько платформ SP-48 под управлением одного берегового оператора. Благодаря увеличенной продолжительности работы, быстрой адаптивной выборке и надежности платформы, команда собрала 123 подтвержденных точки данных о гипоксии, даже в сложных условиях Мексиканского залива, включая прохождение тропического шторма через оперативный район.

«Одной из задач, к которой мы постоянно стремимся, является улучшение интеграции датчиков и оптимизация потока данных», — сказал Томпсон. «Первый этап был посвящен тестированию возможностей; второй этап — совершенствованию методов работы. Это включало такие вещи, как более быстрая обработка данных, передача данных от датчика к судну, а затем от судна через спутник в нашу систему, чтобы мы могли делиться ими с NOAA в режиме реального времени по мере продвижения».

Еще одно отличие, как отметил Томпсон, заключалось в том, что датчики развивались в своем собственном темпе, а это означало, что новые функции могли быть использованы для дальнейшего совершенствования сбора данных. «Компания AML Oceanographic, производящая профилирующий прибор, разработала для него возможность беспроводной зарядки», — добавил Бошенштайн. «Традиционно нам приходилось балансировать между включением зонда, сбором данных, отключением и последующим переводом его в спящий режим», что создавало трудности и в конечном итоге приводило к разрядке батареи. Это ограничивало возможности его использования». Когда AML Oceanographic внедрила эту новую функцию, команде USM больше не нужно было менять батареи в процессе работы, что создало потенциал для проведения более длительных исследований.

«Это также вопрос безопасности», — добавил Томпсон. «Вы избавляете людей от необходимости обслуживать транспортное средство в море, что само по себе является рискованным решением».

Отслеживание траекторий беспилотных надводных аппаратов. Источник: USM/SeaTrac Systems

Судно SeaTrac SP-48 в Мексиканском заливе. Фото: USM/SeaTrac Systems

В перспективе команда надеется на еще одно лето сбора данных, стремясь добавить в свой арсенал третий аппарат SP-48. Что касается обработки данных, исследователи продолжают разрабатывать автоматизированные системы, включающие дополнительные этапы контроля качества, и планируют создать 3D-модель растворенного кислорода для всей исследуемой области.

Третий этап продолжит работу первого и второго этапов, собрав важные данные о гипоксии и продемонстрировав использование беспилотных надводных аппаратов для сбора и мониторинга данных в открытом море. Более того, этот проект демонстрирует нечто менее распространенное — как поэтапные технологические обновления, такие как беспроводная зарядка, управление энергией и полезная нагрузка датчиков, могут быть интегрированы в режиме реального времени для модернизации и продвижения исследований.

Хоби Бошенштайн. Фото: USM/SeaTrac Systems.

Джеймс Томпсон. Фото: USM/SeaTrac Systems

Полное видео смотрите на канале Marine Technology TV.