本周，如果你碰巧要穿过旧金山湾或金门大桥，那就找一个顶部有红色帆的巨大冲浪板慢慢地在水面上滑行。如果你在飞机上没有看到任何人，不要畏缩。这实际上是一艘自主研究船，被称为“帆船无人机测量员”(Saildrone Surveyor)，它是由远程操控的。
这艘72英尺长的船本周从位于加州阿拉米达的一个前海军基地的码头下水。它的设计目的是用强大的声纳设备在海上花费数月时间绘制海底地图，同时扫描海洋表面的遗传物质，以识别在水下游动的鱼类和其他海洋生物。
这艘碳纤维复合材料和不锈钢外壳的船将自行导航，按照预先编程的路线收集海洋数据，并通过卫星链接将数据传回Saildrone总部。这些数据将提供给政府和研究海洋的学术科学家。它的设计者说，他们希望太阳能动力的测量员能够及时地取代现有的海洋研究船，因为现有的海洋研究船操作起来要昂贵得多，而且会留下大量的碳足迹。
“我们的目标是了解我们的星球，”加利福尼亚州的Saildrone公司创始人兼首席执行官理查德·詹金斯(Richard Jenkins)说。过去15年里，该公司一直在设计以前的版本，它们的体积大约是测量员的三分之一。“需要海底信息的原因有很多，从知道在哪里放置电信和越洋电缆，到航行安全，或寻找引起海啸的水下地震断层。”
另一个用途是建造新的能源基础设施:风力发电场的开发商需要在将结构沉入海底之前了解其潜在的地质条件。“随着我们向可再生能源过渡，也有经济需求。风力发电场需要大量的绘图才能建造风力涡轮机。
在接下来的几周内完成海上试验后，测量员的第一个任务是从旧金山航行到夏威夷。在这一过程中，它将绘制出一系列海底山脉附近未被探索的区域，那里是鱼类和其他海洋生物聚集的地方。夏威夷之旅也将作为其新传感器套件的试航，其中包括两个多波束声纳，可以从船下的一个设备发出多种声波。这些声波会在海底和水柱中反射，比如气泡或鱼。当声波返回到船上时，多波束回声测深仪接收声波，解释数据，并创建整个船下三维空间的可视化。测量员的多波束声纳可以到达7000米深(约23000英尺)，这将覆盖世界上大多数海洋的深度。还有一种被称为声学多普勒电流剖面仪的设备，可以探测到1000米(3280英尺)以下水流的速度和方向。
几十年来，科学家们一直在使用载人潜水器下潜海底，最近改装的这种潜水器可以搭载三人下潜6500米。虽然载人潜水器可以让研究人员接近热液喷口、海底喷发火山或不寻常的深水海洋栖息地，但它们只能在水下停留几个小时，而且操作成本比像“航行无人机测量者”(Saildrone Surveyor)这样的无人机高得多。
詹金斯说，海洋学家想要了解洋流循环，以便更好地了解热量和碳是如何从大气中被吸收，然后在整个海洋中分布的。碳排放所捕获的90%以上的热量都被海洋吸收了，这使得海洋的温度成为了危机加速的不可否认的信号。研究人员希望改进他们对全球热量和碳收支的估计——热量和碳在哪里储存和释放——以更好地测量大气和海洋变化的速度以及未来可能感受到的影响。Saildrone Surveyor将通过其机载传感器收集电流和温度数据。
由Saildrone
蒙特利湾水族馆研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute)的研究人员设计和制造的另一个传感器，将从海洋动物的皮肤、粘液和排泄物中提取DNA。海洋科学家们兴奋的想法收集环境DNA,或者埃德娜,因为这意味着他们不必去海上暴风雨天气来收集数据,并允许他们样本在很长一段时间,而不是收集信息在三或四周巡航。它也不需要他们收获鱼。DNA样本会被实时分析，结果会与地图绘制和海洋环流数据一起传回岸上。了解某一区域内鱼类或其他动物的种类对监管机构设定商业捕鱼限制的大小以及需要保护的海洋区域非常重要。
Saildrone Surveyor飞机是由多家机构出资建造的。2019年，美国国家海洋和大气管理局海洋勘探和研究办公室通过国家海洋学伙伴计划，与蒙特利湾水族馆研究所和帆船无人机合作，向新罕布什尔大学提供了一笔为期三年的100万美元的赠款，整合和测试Saildrone Surveyor上的传感器，用于深水测绘和DNA采样。
詹金斯说，“测量员”号的最新版本是10年来小型“帆船”(Saildrones)的成果，这些“帆船”成功地穿越了太平洋，绘制了阿拉斯加北坡附近的浅海沿岸地区，并环绕南极航行了南大洋。但是，UNH的海岸和海洋测绘中心和联合水文测量中心主任Larry Mayer说，较小的版本没有足够的太阳能来运行绘制深海地图所需的声纳设备。“我们对海洋的大部分都知之甚少，”梅尔说。“只有大约19%的海底被详细地绘制出来。”
梅耶尔一直致力于压缩和传输来自无人机的数据的工程挑战。“如何自动收集数据，如何压缩数据，数据的哪些部分适合使用?”梅耶说。“我们认为我们无法实时传输所有信息。”在美国海岸线以外的深水作业时，这些传感器每天将收集1g的信息。但是一旦他们加入了漂浮在水面上的生物的基因信息，数据管道就会以每分钟十亿字节的速度喷涌而出。“瓶颈在于卫星连接，”Mayer说。
这就是数据压缩发挥作用的地方，以及在船上存储数据直到链路可用的能力。Mayer和Jenkins预计，在未来，Saildrone将开始自行决定哪些区域需要测绘和探索。目前，这些航线将由一组在陆地上昼夜不停工作的飞行员选择，以确保没有问题。(一组操作员轮班。)
到目前为止，Saildrone的工程师和设计师已经表明，他们可以在更小的22英尺(约合4米)的平台上收集海洋信息。伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)海洋机器人中心(Center for Marine Robotics)主任詹姆斯·贝灵汉(James Bellingham)表示，这对更大的“帆船无人机勘测者”(Saildrone Surveyor)来说是个好兆头。贝灵汉说:“他们已经证明，他们可以在海上使用这些系统，并将它们保持在长时间、长距离的情况下。”“与此同时，它们也可以产生高质量的数据。在科学世界里，这才是我们关心的。如果你可以去那里，但不能带回数据，谁在乎呢?”
贝灵汉说，更大的Saildrone还必须考虑在海上采取防撞措施，因为它更大的尺寸意味着它是一个更大的目标。Saildrone首席执行官詹金斯表示，他们已经为可能出现的问题做好了准备。尽管之前的“帆船”无人驾驶飞机都没有发生过海上事故，但新的“测量员”配备了转发器、雷达和一个50英尺(约合12米)高的桅杆，桅杆顶部有一个高清摄像头，高度与货轮的桥差不多。这使其操作员能够从远处扫描地平。“测量员具有探测其他船只的重要能力，”詹金斯说。“在这辆车上，总有一个人在操纵。”
