研究人员设计了一种替代性的自主观测方法，以监测北极的融化冰层，这有望改善海洋车辆的自主性，帮助海事任务，并深入了解融化的北极海冰对海洋生态系统的影响。他们的概念设计特点是一个小型水面面积双壳船，作为自主水下车辆和无人机的对接和充电站，利用太阳能和涡轮能量实现持续监测。
北极冰层的快速融化和变薄引发了科学界的严重担忧。此外，海冰厚度也在减少，使冰层更容易受到温暖空气和海洋温度的影响。
了解北极海冰在生态中的角色至关重要，特别是因为该地区海冰的范围以空前的速度减少。如果海冰融化得更快，北极海洋生态系统会发生什么？要回答这些问题，在严酷的北极环境中需要一个长期的监测和数据收集系统。
然而，直接观察具有挑战性，因为卫星传感器的空间分辨率较粗，无法检测到冰层的精细分形结构。由于极端天气条件和浮冰带来的障碍，派遣有人船只到该地区也是困难的。此外，传统的海洋观测方法在时间和空间覆盖上有限，而无人机和自主水下车辆（AUV）受到能量限制，限制了其研究潜力。
为克服这些挑战，来自佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院的研究人员提出了一种替代性自主观测方法的设计，这有望改善海洋车辆的自主性，帮助海事任务，并深入了解融化的北极海冰如何影响海洋生态系统。
他们的概念设计具有一个小型水面面积双壳（SWATH）船，作为AUV和无人机的对接和充电站。SWATH船设计用于卓越的稳定性，使其能够穿越融化的冰层并在广泛的海洋条件下运作。其设计旨在自给自足，利用自动航行、太阳能电池板和位于双壳之间的水下涡轮发电和储存能量，确保即使在逆流航行时也能持续支持任务。
与以前的平台不同，佛罗里达大西洋大学研究人员设计的系统将利用先进技术，从空中、水面和水下监测北冰洋。新的无人水面船（USV）设计专门针对该项目，以确保在北极条件下的稳定性并应对高风速。观测平台系统的主要目标是调查融化的海冰区域。风能将被利用来促进在北极水域的航行，而水下涡轮将产生足够的能量来维持系统的运作。
研究结果发布在《应用海洋研究》期刊上，显示利用风驱动的帆船的运动从SWATH下方的涡轮发电支持长期北冰洋监测任务是可行的。该设计与其监测的环境相结合，提供海冰融化的新数据，超出了卫星和有人船只所能提供的范围。
“我们提出的自主观测平台系统提供了一种全面的方法来研究北极环境和监测融化海冰的影响，” 资深作者、佛罗里达大西洋大学海洋与机械工程系教授苏宗超（Tsung-Chow Su, Sc.D.）表示。“它的设计和能力使其非常适合克服北极独特条件下的挑战。通过提供一个自给自足的平台以持续收集数据，这种设计支持科学研究、环境保护和资源管理，为对北极的全年监测奠定基础。”
佛罗里达大西洋大学设计的船只对海洋数据收集至关重要，集成无人机和AUV，以实现实时监测、资源探测和研究。无人机使用高分辨率相机和传感器进行绘图和导航，而AUV收集水下数据。DJI Dock 2系统使无人机能够自主降落、充电和重新部署，而先进的水下对接系统使AUV能够加油和传输数据，延伸航程。水下壳体中的测量工具收集任务特定数据，这些数据在船上处理并通过卫星传输，使得长期无人海洋监测成为可能。
作为一个自给自足的平台，此设计将在北冰洋中应用风能和海洋潮流能量，以实现长期监测的目的。已经开发出一个无量纲公式，以估计与风驱动动力系统结合的不同大小SWATH所需的最小帆面积。
“我们的研究人员开发了一种针对北极环境的创新观测系统，提供了卫星和有人船无法捕捉的海冰融化的关键数据。长期监测至关重要，因为它提供了对北极海冰损失的持久影响的深刻洞察，这可以指导明智的政策和管理决策，” 佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院院长斯特拉·巴塔拉马（Stella Batalama, Ph.D.）表示。“此外，关于北极浮游植物和藻类的研究仍然有很多待揭示的内容，这些植物在食物链中发挥着关键作用，并影响海洋与大气的相互作用。这个新系统可以增强我们对它们生态重要性的科学理解，同时支持阿拉斯加的土著社区适应未来野生动物和食物资源变化。”
研究的第一作者是徐文强（Wenqiang Xu, Ph.D.），他是佛罗里达大西洋大学海洋与机械工程系的博士毕业生。
