Исследования показывают, что подземная навигация может быть возможна с помощью мюонов космических лучей
Сверхбыстрые частицы субатомного размера, называемые мюонами, впервые были использованы для беспроводной навигации под землей. Используя наземные станции, обнаруживающие мюоны, синхронизированные с подземным приемником, обнаруживающим мюоны, исследователи из Токийского университета смогли вычислить местоположение приемника в подвале шестиэтажного здания.
Поскольку GPS не может проникать сквозь скалу или воду, эта новая технология может быть использована в будущих поисково-спасательных работах, для мониторинга подводных вулканов и управления автономными транспортными средствами под землей и под водой. Результаты исследования опубликованы в журнале iScience.
GPS, глобальная система позиционирования, является хорошо зарекомендовавшим себя навигационным инструментом и предлагает обширный список положительных применений, от более безопасных авиаперелетов до отображения местоположения в режиме реального времени. Однако у него есть некоторые ограничения. Сигналы GPS слабее на более высоких широтах и могут быть заглушены или подделаны (когда поддельный сигнал заменяет подлинный). Сигналы также могут отражаться от поверхностей, таких как стены, им мешают деревья, и они не могут проходить сквозь здания, скалы или воду.
Для сравнения, мюоны в последние годы попали в заголовки газет благодаря своей способности помогать нам заглядывать глубоко внутрь вулканов, заглядывать сквозь пирамиды и видеть внутренности циклонов. Мюоны падают постоянно и часто по всему миру (около 10 000 на квадратный метр в минуту), и с ними невозможно что-либо изменить.
«Мюоны космических лучей равномерно распределяются по всей поверхности Земли и всегда движутся с одинаковой скоростью, независимо от того, какую материю они пересекают, проникая даже в километры горных пород», — объяснил профессор Хироюки Танака из Muographix Токийского университета. «Теперь, используя мюоны, мы разработали новый вид GPS, который мы назвали muometric positioning system (MUPs), который работает под землей, в помещении и под водой».
% буферизованный
00:00
00:11
Мюоны существуют всего 2,2 микросекунды (одна микросекунда — это всего лишь миллионная доля секунды), но поскольку в вакууме они движутся со скоростью света (300 000 километров в секунду), у них достаточно времени, чтобы достичь Земли из атмосферы и проникнуть глубоко под землю. Фото: 2015 Хироюки К.М. Танака
Изначально MUPs был создан для того, чтобы помочь обнаружить изменения морского дна, вызванные подводными вулканами или тектоническими движениями. Он использует четыре наземные опорные станции для обнаружения мюонов, чтобы обеспечить координаты для подземного приемника, обнаруживающего мюоны. Ранние версии этой технологии требовали, чтобы приемник был подключен к наземной станции проводом, что значительно ограничивало передвижение.
Однако в этом последнем исследовании используются высокоточные кварцевые часы для синхронизации наземных станций с приемником. Четыре параметра, предоставляемые опорными станциями, плюс синхронизированные часы, используемые для измерения «времени пролета» мюонов, позволяют определить координаты приемника. Эта новая система называется muometric wireless navigation system (MuWNS).
Чтобы проверить навигационные способности MuWNS, эталонные детекторы были размещены на шестом этаже здания, в то время как «навигатор» доставил приемный детектор на цокольный этаж. Они медленно ходили взад и вперед по коридорам подвала, держа в руках телефонную трубку. Вместо навигации в режиме реального времени были проведены измерения, которые использовались для расчета их маршрута и подтверждения пройденного пути.
«В настоящее время точность MuWNS составляет от 2 до 25 метров, с дальностью действия до 100 метров, в зависимости от глубины и скорости ходьбы человека. Это так же хорошо, если не лучше, чем одноточечное GPS-позиционирование над землей в городских районах», — сказал Танака. «Но это все еще далеко от практического уровня. Людям нужна точность в один метр, и ключом к этому является синхронизация времени».
По мнению исследователей, при использовании MuWNS в помещении или под землей можно было бы достичь более высокой точности по сравнению с технологиями радиочастотной идентификации (RFID) и Zigbee, а также гораздо более широкого диапазона, хотя и гораздо более низкой точности, чем лидарная и акустическая навигация. Фото: 2023 Хироюки К.М. Танака
Совершенствование этой системы для обеспечения навигации в режиме реального времени с точностью до метра зависит от времени и денег. В идеале команда хочет использовать атомные часы на чипе (CSAC). «CSAC уже имеются в продаже и на два порядка лучше кварцевых часов, которые мы используем в настоящее время. Однако сейчас они слишком дороги, чтобы мы могли ими пользоваться. Но я предвижу, что они станут намного дешевле по мере увеличения глобального спроса на CSAC для мобильных телефонов», — сказал Танака.
Когда-нибудь MuWNS можно будет использовать для навигации роботов, работающих под водой, или для управления автономными транспортными средствами под землей. Помимо атомных часов, все остальные электронные компоненты MuWNS теперь можно миниатюризировать, поэтому команда надеется, что со временем их можно будет установить в портативные устройства, такие как ваш телефон. В чрезвычайных ситуациях, таких как обрушение здания или шахты, это может в будущем изменить правила игры для поисково-спасательных команд.