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藉助蝴蝶的美國國防工程研究

作者：change?  於 2024-2-21 09:54 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:政經軍事|已有1評論




作為麻省理工學院林肯實驗室的機械工程師，Phillip Daniel '13、SM '15、PhD '22 為美國國防部進行研究，涉及探索最深的海洋和最遠的天空。

如今，90% 的海底尚未繪製地圖。 為了補充當前的情況，丹尼爾所在的團隊專註於聲納測深，該團隊使用換能器將聲學信號發送到海洋中。 如果信號路徑中有物體，聲音就會迴響。 他研究的過程稱為稀疏孔徑聲納( sparse aperture sonar)，它可以改善商業工業和國防的水下勘探。

Daniel 還專註於磁導航，對於商業企業和國防來說，磁導航可以作為 GPS 的替代品。 他用帝王蝶來解釋。 「它們能夠長途遷徙並找到它們祖先出生的確切森林。如何做到的？ 一種理論認為它們能夠感知地球的磁場。 他們的頭腦里有一個指南針，他們可以用它到達他們想去的地方。 問題是：人類能否利用地球磁場在沒有GPS的情況下精確導航？」

他說，我們可以利用地殼中的鐵和金屬礦藏。 它們發出磁場波紋，「幾乎像指紋一樣」，充當引導。

當他十幾歲時在北卡羅來納州達勒姆市時，他就開始對工程學產生了興趣，當時他的愛好是幫助父親修理二手車。 「我會給他工具，並詢問他要更換什麼以及為什麼。 沒有什麼是他無法回答的……我覺得這很有趣，」他回憶道。 他的母親將他送入一所區外的工程專業高中，隨後他在麻省理工學院獲得了三個機械工程學位。 他在校園裡感到賓至如歸，周圍都是志同道合的學生。

「麻省理工學院是一個學生們都很書獃子的地方，他們為此感到自豪。 我覺得這也是我身份的重要組成部分，」他說。

為了讓在校學生有賓至如歸的感覺，Daniel 通過 UROP、夏季研究計劃和 Momentum（IAP 期間提供的跨學科設計課程）等項目對他們進行指導。 「[作為一名學生]，我更願意接觸與我有類似掙扎的導師。 他們要麼看起來像我，要麼是代表性不足的少數群體，」他回憶道。 「我以為他們會『幫助』我更多，向他們尋求幫助讓我更自在。」 同樣，他說，今天的學生「很樂意向我尋求幫助，因為他們在我身上看到了自己。」

Phillip Daniel stands with arms folded wearing a white dress shirt, black pants, and black suspenders. with large columns behind him.
本文還出現在由《麻省理工科技評論》出版的《麻省理工新聞》雜誌三月/四月號上。

照片：托尼·普爾松    

13 Lincoln Lab members pose for a photo at the Food Bank
通過 Instagram 上的@lincoln_laboratory：「周六，作為林肯實驗室黑人歷史月系列活動的一部分，我們社區的成員在大波士頓食品銀行擔任志願者。」



空軍研究實驗室 (AFRL) 和麻省理工學院 (MIT) 的研究人員成功展示了名為 MagNav 的人工智慧增強磁導航功能，這在美國國防部尚屬首次。



這項尖端技術利用地球磁場的變化進行導航，很難被干擾或欺騙，使其成為空軍的必備工具。 MagNav 的成功可能是在許多軍用和民用平台（包括飛機、潛艇、無人機，甚至高超音速滑翔飛行器）上實施該系統的關鍵第一步。

磁導航不如 GPS 精確，但更可靠

隨著全球定位系統已成為軍事和民用飛行員極其準確和有效的導航工具，飛行員越來越依賴該技術。

這種對單一系統的過度依賴令軍事指揮官感到擔憂，他們認為 GPS 網路特別容易受到攻擊。 事實上，這種依賴性被空中機動司令部的邁克·米尼漢將軍確定為可能被該國對手利用的四個關鍵能力差距之一。

MagNav 設備裝載在 C-17A Globemaster III 的背面，準備在 2023 年 5 月 11 日至 15 日金鳳凰演習期間在國防部飛機上進行首次實時演示。圖片來源：AFRL

為了減少對 GPS 的依賴，AFRL 與麻省理工學院和麻省理工學院林肯實驗室的人員合作，看看將磁導航概念與人工智慧的先進機器學習技能相結合是否是一種實用的替代方案。 他們的工作最終在對他們稱為 MagNav 的概念系統進行首次實時飛行測試中達到頂峰，表明人工智慧增強型磁導航不僅是可能的，而且還提供了一些優於 GPS 的關鍵優勢。

成功的測試揭示了磁導航的顯著優勢和有限的弱點

為了測試其潛在的革命性 MagNav 概念，AFRL 和 MIT 團隊在人工智慧加速器 (AIA) 的保護下運作，在駐紮於加利福尼亞州特拉維斯空軍基地的 C-17A Globemaster III 上安裝了定製設備。

根據空軍的一份新聞稿，磁導航系統「通過 AIA 的校準和定位神經網路利用人工智慧和機器學習的力量，該神經網路在飛行過程中在商用筆記本電腦上進行了幾分鐘的訓練。」

該系統如此快速的學習能力得益於數十年研究人員組裝的高度詳細的地球磁場地圖，為研究人員和工程師提供了構建他們的 MagNav 系統的基線數據集。 當然，地球磁場在不斷變化，飛機本身也受到大範圍的磁干擾，系統依靠機器學習將磁信號從雜訊中分離出來。

      世界數字磁異常地圖。 圖片來源：Geomag.us

為此，空軍指出，MagNav 團隊通過其磁導航開放挑戰賽充分利用了全球協作的優勢，其中包括來自世界各地的貢獻者通過其開源軟體庫提交數據。 據新聞稿稱，「這次合作改進了 AIA 的神經網路架構，消除了飛機產生的磁雜訊，通過與已知的磁圖進行比較來得出位置。」

不幸的是，需要不斷更新和增強磁場數據以保持 MagNav 系統的準確性，以及人工智慧必須濾除的磁雜訊是明顯的弱點。 此外，在 C-17 上測試的系統精確度約為一公里。 與更準確的 GPS 相比，這是一個顯著的降級，GPS 可以讓飛機到達距離目標目的地幾英尺的範圍內。

儘管如此，MagNav 團隊指出，對於大多數任務來說，在視覺導航或地標識別等傳統工具接管並引導飛機到達最終目的地之前，導航到一公里以內就足夠了。

GPS 的替代品對未來軍用和民用導航至關重要

也許磁導航最關鍵的優勢是它幾乎不可能被干擾或欺騙，尤其是在任何遠距離的情況下。 此外，與 GPS 不同的是，該系統僅依賴于飛機上的設備，而不依賴於衛星或通信設備等設備，這兩種設備都可能成為目標或受到干擾。

「每個飛行員都擔心單點故障，」AIA MagNav 聯絡員凱爾·麥卡爾平少校解釋道。 「我們的戰略文件對國防部過度依賴 GPS 表示遺憾，這是我們精確導航能力的單點故障。」

儘管如此，麥卡爾平指出，每次飛行都需要「無懈可擊的定位和導航」。

「我們可以通過天體導航、機會信號、視覺導航和磁導航等替代方案增強 GPS 來實現這一目標，」他總結道。 「本周，我們朝著實現其中一種模式邁出了重要一步，將 MagNav 從麻省理工學院和麻省理工學院林肯實驗室的想法轉變為一架可操作的飛機，為我們的姊妹服務和擴展到新平台開闢了道路。」

克里斯托弗·普蘭 (Christopher Plain) 是 The Debrief 的首席科學作家，也是一位科幻和奇幻小說家。 在 Twitter 上關注並與他聯繫，在 plainfiction.com 上了解他的書籍，或直接向他發送電子郵件至 christopher@thedebrief.org。

MagNav.jl：機載磁異常導航

MagNav.jl 是一個開源 Julia 軟體包，包含用於航磁補償和機載磁異常導航的全套工具。 本次演講將描述該軟體包的高級功能，然後使用該軟體包中提供的真實飛行數據提供簡短的教程。 MagNav 的功能可分為四個基本組成部分：感測器（飛行數據）、磁異常圖、航磁補償模型和導航演算法。



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發表評論 評論 (1 個評論)

回復 Wuming123 2024-2-22 06:12
磁信號導航就是個雞肋！現在的陀螺儀，慣性導航誤差也不會超過一公里吧？

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