每年冬天,大海冰生长在北冰洋,从北极周围密集的冰堆向外辐射,延伸到粗糙的边缘,冰山在边缘上自由漂浮。在冰原和海洋边缘之间的区域被称为北极边缘冰区在那里,海浪与冰的相互作用方式尚不为人所知。更好地了解这一区域对于改善短期天气和航海预报以及长期气候模型至关重要。

获得这种理解是我工作的一部分挪威气象研究所而直接放置在浮冰上的追踪器是我们获取数据的最佳工具之一。但对于科学仪器来说,这是个艰苦的环境。如果你不幸的话,你可能只有几天的时间,然后仪器下面的冰就会破裂——或者北极熊可能会发现它,在咀嚼它之前和它一起踢足球。由于无法保证任何给定仪器可以使用多长时间,因此必须部署大量仪器来获得所需的数据。不幸的是,在商业上购买仪器的成本严重限制了我们可以部署的跟踪器的数量。所以,我开始用DIY组件建造一个开源的冰上追踪器,它不仅被证明比商业选择便宜得多,而且功能更强。


OpenMetBuoy-v2021冰况追踪器的核心是400美元的SparkFun Artemis全球追踪器(AGT)。它结合了一个基于arm的32位微控制器,卫星导航接收器和一个铱卫星调制解调器安装在一块板上。主传感器是一个九自由度加速度计、磁力计和陀螺仪,我们用它来确定冰对波浪的响应。

AGT的48兆赫阿波罗3 ARM微控制器具有强大的计算能力,可以控制传感器、导航接收机和铱调制解调器,并进行现场数据处理。这与我从2015年开始开发的前几代开源冰跟踪器形成了鲜明对比,后者使用了更耗电的微型计算机,可以单独使用,也可以与微控制器一起管理外围设备。例如,在我之前的v2018跟踪器中,我使用了运行精简操作系统的树莓派。在5伏电压下运行约1.7瓦时消耗约350毫安,但Apollo3在3.3 V电压下仅使用500微安,使其在约1.7微瓦时的功率效率提高了1000倍以上。

一组爆发板,一个圆柱形短天线,和电池。由于Artemis全球跟踪器(上,中)集成了低功耗微控制器、卫星导航和铱调制解调器,因此几乎不需要其他组件,包括(顺时针方向右起)两个锂d电池、一个惯性测量单元和一个功率调节器詹姆斯教务长

这对跟踪器的功率预算、成本、可靠性和尺寸都有巨大的影响。v2021版本可以通过两个不可充电的电源供电LSH20 d型锂电池,即使在极低的温度下也能很好地工作。这意味着我可以省去早期版本中用来补充电力的太阳能电池板,以及该电池板的所有支持电路,也不需要在外壳上开一个孔来连接电缆。新版本一旦制造完成,就会完全永久密封——在现场,通过移除安装在壳体内簧片开关上方的外部磁铁,v2021跟踪器就会打开。这款追踪器比之前的型号更小,尺寸为12 x 12 x 9厘米,不过这确实增加了它被积雪覆盖到足以阻挡卫星信号的可能性。但另一方面,它的体积小使得北极熊更难找到它。

你可能只有几天的时间,仪器下面的冰就会破裂——或者北极熊可能会用它踢足球。

由于通过铱星网络可用的带宽有限且昂贵,在现场进行数据处理和缩减尤为重要。加速度计和陀螺仪数据输出以800赫兹采样(目前,我们忽略磁强计提供的方向信息),然后将数据平均为100赫兹信号以减少噪声。使用由飞思卡尔/恩智浦提供的开源库,我们使用所谓的卡尔曼滤波器来融合加速度计和陀螺仪传感器数据,并确定波动的垂直分量,再次进行时间平均,以提供10赫兹的信号。这足以快速识别出通常频率约为0.2 Hz的风浪和较长的波浪,其范围约为0.08至0.10 Hz。

由于阿波罗3号内置的浮点单元,微控制器收集了20多分钟的数据,然后在几毫秒内执行傅里叶分析。其结果是将20分钟波动的频率和振幅压缩到一个只有138字节长的数据包中的频谱。

地图上的一系列轨迹,靠近顶部的岛屿海岸线显示了从两个共同起源点演变成不同轨迹的徘徊线在巴伦支海的浮冰上,一个挨着一个的追踪器迅速偏离了位置。詹姆斯教务长

我们于2021年2月在冰上部署了一个原型,测试了基本设计。它工作了几个星期,直到被雪掩埋,但在5月,当冰融化时,原型机又开始传输了,并且在撰写本文时仍然在这样做。(原型机只报告了位置数据,没有波动数据,并且有第三块电池,这是它比标准跟踪器预期的三个月的使用寿命更长的原因。)

从那以后,我们部署了标准的跟踪器,并获得了大量关于冰层移动的数据。我们和伙伴组织,如日本海洋地球科学技术机构和澳大利亚墨尔本大学,正在为未来的数据收集活动建造更多的跟踪器(作为一批的一部分,大约需要半个小时来建造)。

挪威气象研究所卑尔根办公室的同事们也在研究一种可以部署在海岸附近的版本,可以利用蜂窝网络连接用Rust编写的软件而不是电流c++代码)。这将极大地增加数据带宽并降低操作成本——目前建造和操作每个跟踪器的成本约有一半是铱星费用。

因为所有的追踪器硬件和软件都是开源的,基本设计应可转移到许多其他领域,其中仪器面临严峻的条件和/或检索它们以获得存储的数据是困难的或不可能的。

对话(1)
杰森(goldman Sachs) 2022年4月11日

1.7毫瓦,不是1.7微瓦

欧洲扩大虚拟边界以阻止移民

我们的调查显示,欧洲正在转向遥感探测航海移民,以便非洲国家可以把他们拉回来

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一群人坐在水面上的充气船上,背景是一艘巡逻舰。

2020年2月28日,在希腊莱斯博斯岛的Skala Sikaminias村,从土耳其横渡爱琴海的移民在一艘Frontex船只的陪同下乘坐橡皮艇。

美联社

午夜过后当时一艘载有数十名移民的橡皮艇从利比亚出发,遭遇了一艘来自马德拉岛的笨重货船和一架欧洲军用飞机。船长停止了引擎,飞机对着橡皮艇闪烁着灯光。但无论是船只还是飞机都没有前来救援。相反,马耳他当局告知船长不得不等待来自马耳他的船只来接走这些移民。当这些船只到达时,三名移民在试图游向闲置的船只时溺亡。

这艘停泊在马耳他的私人船只搭载了幸存者,向南行驶约237公里,将这些移民交给了利比亚当局,而不是返回160公里外的马耳他。利比亚过去和现在都处于内战之中。另外5名移民在南行途中死亡。通过将移民送到那里,马耳他船只的船长,或许还有相关的欧洲救援当局,可能违反了国际海洋法,该法律要求船长将他们救援的人送回安全的港口。相反,在过去十年中返回利比亚的移民报告说,他们在试图穿越地中海时遭到奴役、身体虐待、勒索和谋杀。

如果将获救的移民送往利比亚是合法的,那么它的成本将与向南而不是向东多派出几公里的救援船一样低。但在过去几年里,欧洲海上军事巡逻的海上救援行动越来越少,同时增加了有人和无人的空中巡逻,并投资于遥感技术,以扩大虚拟边界,在移民接近实际边界之前阻止他们。

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