正在自駕遊的你

 

穿過一個隧道時

 

被GPS告知信號弱

 

 

與此同時

 

馬裡亞納海溝

 

剛剛下潛到水下5米的“奮鬥者”號GPS信號完全丟失

 

而此時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？又該怎樣向著馬裡亞納海溝的最深處，摸黑來一場萬米海底“自駕遊”？

 

想要在海底來一場説走就走的旅行，要解決三個問題。

 

首先我們想要知道

 

“奮鬥者”號的GPS信號為何會丟失？

 

 

為此，我們要先知道GPS信號是什麼。

 

 

GPS信號是通訊衛星向地面接收器發射的電磁波信號。這些信號由多個衛星同時計算得出，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“奮鬥者”號GPS信號的障礙物，正是它頭頂厚厚的海水。

 

電磁波射入海水後，會不斷被海水吸收。當到達5米深的海水時，已經所剩無幾。

 

沒有了電磁波，“奮鬥者”號該如何與外界取得聯繫？又該找誰來給自己定位？  

 

 

這就是“奮鬥者”號“説話”的“嘴”——應答器，“奮鬥者”號入海之後，應答器會間隔固定的時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捕捉到“奮鬥者”號的信息，並根據聲音傳播的時間測算兩者之間的距離。 

 

知道了距離之後

 

怎樣才能進一步獲得

 

“奮鬥者”號在海底的準確位置？

 

 

你知道自己為什麼有兩隻耳朵嗎？如果你捂住一隻耳朵，會發現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。人耳在工作時，會産生“雙耳效應”，通過兩隻耳朵接受聲音的時間差和音量差，判斷音源的空間坐標。

 

 

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，而是由多個換能器組成基陣，長這個樣。

 

 

當基陣接受到聲波時，會計算相位差Φ、波長λ和斜距R，由此算出“奮鬥者”號的空間坐標。之後，這個坐標將被發送給“奮鬥者”號，結合預先導入的大地坐標和海底地圖，“奮鬥者”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。

 

 

知道了自己的位置

 

也知道了馬裡亞納海溝的最深處在哪

 

就只剩下最後一個問題了

 

“奮鬥者”號如何才能“永往直前”？

 

 

破解問題的方法，是利用“慣性”。

 

 

“奮鬥者”號內部安裝有一套“慣性導航裝置”，會通過“加速度計”和“陀螺儀”等儀器不斷感應潛水器的位置、速度、姿態、方向從而告知潛航員運動軌跡是否發生了偏移。而這些儀器精度之高，即使“奮鬥者”號的偏移量只有一枚硬幣的厚度，也能馬上被檢測到。

 

 

然而，由於慣性導航內部信息積累的特點，潛水器的狀態測算誤差會不斷積累，最終可能帶來巨大的位置偏差。1958年，裝備了1套N6-A1慣性導航系統的美國鸚鵡螺號核潛艇從珍珠港出發，在歷時21小時穿越了北極冰蓋後，與原定目標點相差了37千米。

 

 

因此，為了盡可能提高導航精度，“奮鬥者”號上還安裝了聲學多普勒測速儀、高度計、深度計和聲學通信等儀器。測量得到的數據將一起參與推算，並最大程度地減小誤差。

 

 

可以説

 

水聲定位和導航技術讓“奮鬥者”號”

 

真正能夠抵達海洋最深處

 

完成挑戰極限的創舉

 

而這一切的背後

 

是無數科學家、工程師對於誤差的錙銖必較

 

現在，這場“自駕遊”才剛剛開始

 

而“奮鬥者”號的前方

 

還有無數未知的神秘等待它去探索

 

（總臺央視記者 週旋 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）