GPS和水不能混在一起。因此，科学家们发现了一种在海底航行的新方法

近半个世纪前，美国国防部开始实施一个项目，通过卫星定位地球表面的位置。自那以后，现在被称为GPS的东西已经走过了很长一段路，渗透到我们日常生活的方方面面，从帮助城市居民在陌生的街道上认路，到帮助提供紧急服务。

然而，即使在今天，最复杂的GPS系统仍然无法绘制出地球上的一大块区域：位于海洋、海洋或河流之下的区域。实际上，这项技术不能很好地与水混合，水会分解GPS所依赖的无线电波。

麻省理工学院的科学家们一直在寻找创造一种新型水下GPS的方法，这种GPS可以用来更好地理解隐藏在水面和海底之间的奥秘。研究人员现在推出了一种名为水下后向散射定位(UBL)的设备，它可以对声音信号做出反应，提供定位信息，即使它被困在海洋深处也是如此。所有这一切，甚至不需要使用电池。

水下设备已经存在，例如可以作为追踪器安装在鲸鱼身上，但它们通常充当声音发射器。产生的声音信号被接收器截获，接收器进而可以确定声音的来源。这类设备需要电池才能工作，这意味着它们需要定期更换-当戴着追踪器的是迁徙的鲸鱼时，这并不是一项简单的任务。

另一方面，麻省理工学院团队开发的UBL系统反射信号，而不是发射信号。这项技术建立在所谓的压电材料上，压电材料在振动时会产生少量电荷。该装置可以利用这种电荷将振动反射回原来的方向。

因此，在研究人员的系统中，发射器通过水向压电传感器发送声波。当声音信号击中设备时，会触发材料储存电荷，然后用来将波反射回接收器。根据声波从传感器反射并返回所需的时间，接收器可以计算到UBL的距离。

研究人员说，与传统的水声通信系统不同，传统的水声通信系统需要每个传感器产生自己的信号，而后向散射节点只需在环境中反射声信号就可以进行通信。这些节点还可以通过从声音信号中获取能量来通电。因此(...)。UBL将使我们能够建造一个持久的、可扩展的、无电池的水下GPS。

至少，理论上是这样的。在实践中，压电材料不是容易操作的部件：例如，压电传感器唤醒并反射声音信号所需的时间是随机的。

为了解决这个问题，科学家们开发了一种名为跳频的方法，它涉及到通过一定频率范围向UBL系统发送声音信号。因为每个频率都有不同的波长，所以反射的声波在不同的相位返回。使用一种名为傅里叶逆变换的数学定理，研究人员可以使用相位模式和定时数据来更精确地重建到跟踪设备的距离。

跳频在深海环境中显示出了一些有希望的结果，但事实证明，浅海的跳频更成问题。由于水面和海床之间的距离很短，声音信号在到达接收器之前，会在较低的深度无法控制地来回反弹，就像在回音室里一样--在这个过程中可能会干扰其他反射的声波。

一种解决方案包括降低发射机产生声学信号的速率，让每个反射声波的回声在干扰下一个声波之前减弱。然而，当涉及到跟踪移动的UBL时，较慢的速率可能不是一个选择：可能是，当反射信号到达接收器时，对象已经移动了，这完全违背了这项技术的要点。

虽然科学家们承认，解决这些挑战需要进一步的研究，但这项技术的概念验证已经在浅水中进行了测试，麻省理工学院的团队表示，UBL系统达到了厘米级的精度。

很明显，如果这项技术达到全面发展，它可能会有无数的应用。据估计，目前超过80%的海底没有绘制地图，没有被观测到，也没有被勘探；更好地了解水下生命可以极大地促进环境研究。

UBL系统还可以帮助水下机器人更精确地工作，跟踪水下机器人，并提供关于气候变化对海洋影响的见解。海洋般大小的水域还有待测绘，压电材料很可能是解决之道。