Глоток свежего воздуха: БПЛА картографируют гипоксию в заливе

Метод научного исследования служит стандартом для научных проектов, направляя аналитические и исследовательские работы. Хотя он преподавался многим поколениям студентов, его этапы далеки от древности, так как 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 собранных в экстремальных условиях или на протяжении длительного времени. Университет Южного Миссисипи (USM) с помощью SeaTrac Systems обратился к автономным решениям при проведении исследований гипоксии в Мексиканском заливе.

Партнерство, в которое также входит Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA), картографирует потенциальную гипоксию в заливе и ее влияние на местные рыболовные ресурсы и популяции рыб. Гипоксические зоны, также известные как мертвые зоны, представляют собой участки воды с пониженными уровнями кислорода из-за загрязнения питательными веществами, что часто значительно влияет на водную жизнь. Сотрудничество недавно завершило успешную вторую фазу проекта, развивая ранее проведенные работы и переходя от концепции к развертыванию нескольких беспилотных надводных аппаратов SP-48.

Грузовик среди БПЛА

Звездой этого исследования является БПЛА SP-48, что означает "солнечно-заряженный" и "4,8 метра". Длина аппарата составляет примерно 4,5 метра и весит около 295 килограммов, он может работать круглосуточно в течение месяцев благодаря большому количеству солнечных панелей на палубе, которые заряжают внутреннюю батарею. Он предназначен для работы как вблизи берега, так и на открытом море; в рамках этого проекта БПЛА может находиться на расстоянии от 8 до 64 километров от берега. "Сам аппарат является платформой для сбора данных", - говорит Хоби Бошенштейн, директор по операциям и развитию бизнеса в SeaTrac. "Мы рассматриваем его как грузовик, где сама платформа не так полезна. Важно то, какие полезные нагрузки вы можете на него установить и быстро менять их, будь то сонарные установки или датчики качества воды."

В ходе проекта SeaTrac и USM увидели изменения в БПЛА, чтобы сделать его более универсальным и надежным в сборе данных. "Специально для этого проекта", - добавил Бошенштейн, - "большое развитие с нашей стороны заключалось в лебедке и возможности поддерживать профилирование до дна моря. На протяжении проекта мы добавили дополнительные средства связи, такие как Starlink Mini, что стало большим дополнением с момента нашего начала."

"Это так универсально, что мы можем установить на него множество различных устройств. Мы тестировали камеры, технологии предотвращения столкновений и многое другое во время выполнения этой миссии по гипоксии. Это показывает, насколько гибким является этот аппарат", - подтвердил Томпсон. "Одним из других данных, которые мы собрали, просто потому что могли, были акустические данные о течении. Это действительно грузовик. Вы можете установить на него множество вещей, и благодаря размеру батареи и возможности генерировать много солнечной энергии это меняет правила игры."

Первая фаза

Первая фаза проекта служила в основном доказательством концепции, тестируя аппараты и различные датчики и их способность собирать необходимые данные. "Мы узнали много того, что нам нужно было доработать, чтобы это работало", - сказал Томпсон. "И мы сделали это, и намного лучше, чем ожидали."

Логическим продолжением стало тестирование более длительных опросов, оценка различных конфигураций датчиков и запуск нескольких БПЛА одновременно в различных конфигурациях. "Что мы узнали", - добавил Томпсон, - "это то, что аппарат мог производить всю эту энергию, но мы не полностью использовали это." Они переключили датчики на питание или подзарядку от БПЛА, что значительно увеличило количество собираемых данных. "Мы не должны были ограничивать себя в зависимости от доступной энергии в датчиках. Мы могли собирать все больше и больше данных. Это показало преимущество не только в том, чтобы достигать определенных координат, которые мы будем посещать каждый год, но и находить, где меняется граница гипоксии, сосредотачиваясь на этом, беря дополнительные образцы данных."

SeaTrac активно участвовал в начале этого проекта, разрабатывая новые функции, такие как лебедка для опускания датчиков с поверхности до дна моря. "Очень важная часть картирования гипоксии - это возможность добраться до одного метра от дна моря", - сказал Бошенштейн. "В противном случае вы пропустите важные данные. Большое развитие с нашей стороны заключалось в том, как мы можем гарантировать, что зонд доберется до дна. Мы тесно сотрудничали с командой USM, чтобы рассмотреть различные способы это сделать и в конечном итоге разработали систему, которая использует набор программных параметров для определения провисания в линии и понимания, что, 'Окей, звук действительно на дне; не можем подойти ближе.'"

"Когда мы ищем наибольшее влияние гипоксии на рыболовство, мы смотрим на тот слой, который находится прямо у дна, где обитают все донные существа. Очевидно, если они не могут подняться и выйти из этого слоя, это повлияет на их метаболизм и продуктивность", - объяснил Томпсон.

"Сможем ли мы опустить датчики до самого дна и уверенно знать, что мы их поместили в этот нижний слой воды, а затем иметь возможность смотреть на это в реальном времени и говорить, 'Да, мы все еще обнаруживаем низкий уровень кислорода здесь, двигайтесь дальше на юг и посмотрите, можем ли мы найти ту границу, где мы снова попадаем в кислородную воду.' Возможность корректировать миссию на лету и знать, что мы получаем актуальные данные, была абсолютно критически важна."

Вторая фаза и далее

Во время второй фазы USM развернул несколько SP-48 одновременно, находясь под контролем одного оператора на берегу. Команда собрала 123 проверенные точки данных о гипоксии благодаря увеличенной выносливости, быстрой адаптивной выборке и надежности платформы, даже в сложных условиях залива, включая тропическую погоду, проходящую через операционную зону.

"Одним из направлений, к которому мы действительно стремились с каждым разом, является улучшение интеграции датчиков и улучшение потока данных", - сказал Томпсон. "Первая фаза была в основном тестированием того, что можно сделать; вторая фаза - улучшением того, как это делается. Это включало более быструю передачу данных, получение данных от датчика на лодку и от лодки через спутник к нашей системе, чтобы мы могли делиться ими с NOAA в реальном времени, пока мы работали."

Еще одной разницей, на которую указал Томпсон, было то, что датчики развивались в своем темпе, что означало, что новые функции могли быть использованы для дальнейшего улучшения сбора данных. "AML Oceanographic, компания, которая производит профилирующий инструмент, разработала возможность беспроводной зарядки для него", - добавил Бошенштейн. "Ранее нам приходилось балансировать между тем, 'Мы собираемся включить зонд, собрать данные, извлечь их, а затем снова отключить', что усложняло задачу и в конечном итоге он разряжался. Это ограничивало то, что вы могли с ним сделать." Когда AML Oceanographic внедрила эту новую возможность, команде USM не нужно было заменять батареи в середине работы, что создало потенциал для более длительных опросов.

"Это также вопрос безопасности", - добавил Томпсон. "Вы убираете людей из необходимости обслуживать аппарат в море, что само по себе является рискованным делом."

Смотрев вперед, команда надеется на еще одно лето сбора данных, стремясь добавить третий SP-48 в состав. В области обработки данных исследователи продолжают разрабатывать автоматизацию, чтобы включить дополнительные шаги контроля качества и планируют добавить 3D-модель растворенного кислорода для всей области опроса.

Третья фаза продолжит работу первых двух фаз, собирая критически важные данные о гипоксии и подчеркивая использование БПЛА в сборе и мониторинге данных на открытом море. Более того, этот проект демонстрирует что-то менее часто наблюдаемое - как поэтапные технологические обновления, такие как беспроводная зарядка, управление энергией и полезная нагрузка датчиков, могут быть интегрированы в реальном времени для модернизации и продвижения исследований.