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  正在自驾游的你

  穿过一个隧道时

  被GPS告知信号弱

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  与此同时

  马里亚纳海沟

  刚刚下潜到水下5米的“奋斗者”号GPS信号完全丢失

  而此时它的深海之旅才刚刚开始

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  接下来,潜航员们该如何在黑暗中知道自己的位置?又该怎样向着马里亚纳海沟的最深处,摸黑来一场万米海底“自驾游”?

  想要在海底来一场说走就走的旅行,要解决三个问题。

  首先我们想要知道

  “奋斗者”号的GPS信号为何会丢失?

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  为此,我们要先知道GPS信号是什么。

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  GPS信号是通信卫星向地面接收器发射的电磁波信号。这些信号由多个卫星同时计算得出,目的是精确地推断出你的位置。不过,电磁波虽然在真空和空气中有极快的速度,却难以穿透路上的障碍物。

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  同样,阻挡了“奋斗者”号GPS信号的障碍物,正是它头顶厚厚的海水。

  电磁波射入海水后,会不断被海水吸收。当到达5米深的海水时,已经所剩无几。

  没有了电磁波,“奋斗者”号该如何与外界取得联系?又该找谁来给自己定位? 

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  这就是“奋斗者”号“说话”的“嘴”——应答器,“奋斗者”号入海之后,应答器会间隔固定的时间不断放出声波信号,而科考母船的船底则装有“耳朵”——换能器。

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  这样,科考母船就可以及时捕捉到“奋斗者”号的信息,并根据声音传播的时间测算两者之间的距离。

  知道了距离之后

  怎样才能进一步获得

  “奋斗者”号在海底的准确位置?

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  你知道自己为什么有两只耳朵吗?如果你捂住一只耳朵,会发现只能通过声音大小判断声源的距离,而无法感觉出它来自哪里。人耳在工作时,会产生“双耳效应”,通过两只耳朵接受声音的时间差和音量差,判断音源的空间坐标。

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  同样,从这篇国家海洋局的论文中,我们可以看到,母船底部的换能器不止一个,而是由多个换能器组成基阵,长这个样。

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  当基阵接受到声波时,会计算相位差Φ、波长λ和斜距R,由此算出“奋斗者”号的空间坐标。之后,这个坐标将被发送给“奋斗者”号,结合预先导入的大地坐标和海底地图,“奋斗者”号就可以知道自己身处何方了。这就是“大海深处的GPS”——水声定位技术。

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  知道了自己的位置

  也知道了马里亚纳海沟的最深处在哪

  就只剩下最后一个问题了

  “奋斗者”号如何才能“永往直前”?

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  破解问题的方法,是利用“惯性”。

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  “奋斗者”号内部安装有一套“惯性导航装置”,会通过“加速度计”和“陀螺仪”等仪器不断感应潜水器的位置、速度、姿态、方向,从而告知潜航员运动轨迹是否发生了偏移。而这些仪器精度之高,即使“奋斗者”号的偏移量只有一枚硬币的厚度,也能马上被检测到。

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  然而,由于惯性导航内部信息积累的特点,潜水器的状态测算误差会不断积累,最终可能带来巨大的位置偏差。1958年,装备了1套N6-A1惯性导航系统的美国鹦鹉螺号核潜艇从珍珠港出发,在历时21小时穿越了北极冰盖后,与原定目标点相差了37千米。

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  因此,为了尽可能提高导航精度,“奋斗者”号上还安装了声学多普勒测速仪、高度计、深度计和声学通信等仪器。测量得到的数据将一起参与推算,并最大程度地减小误差。

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  可以说

  水声定位和导航技术让“奋斗者”号

  真正能够抵达海洋最深处

  完成挑战极限的创举

  而这一切的背后

  是无数科学家、工程师对于误差的锱铢必较

  现在,这场“自驾游”才刚刚开始

  而“奋斗者”号的前方

  还有无数未知的神秘等待它去探索

  (总台央视记者 周旋 宋亮 陈茜 杨理天 张博 杨? 齐霁 张效瑜 钱榕洁 王浩 丁潇潇 李舒鹏 王宁 曹昊轩 贺佳贝 刘琦 王秋君 杨思源 刘柄豪 刘翔 张志鑫 孟琳)

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