Впервые в мире исследователи из Токийского университета использовали сверхбыстрые субатомные частицы, известные как мюоны, для беспроводной навигации под землей. Команда использовала наземные станции обнаружения мюонов, координируя их с подземным приемником обнаружения мюонов, чтобы точно определить местоположение приемника в подвале шестиэтажного здания.
Поскольку GPS неэффективен в скальных породах и воде, эта новая технология является перспективной для будущих применений, таких как поисково-спасательные миссии, мониторинг подводных вулканов и управление автономными транспортными средствами в подземных и водных средах.
GPS, глобальная система определения местоположения, является хорошо зарекомендовавшим себя навигационным инструментом и предлагает обширный список полезных применений, от более безопасных авиаперелетов до отображения местоположения в режиме реального времени. Однако у нее есть некоторые ограничения. Сигналы GPS слабее в 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, камни 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 заглядывать внутрь циклонов. Мюоны падают постоянно и часто по всему миру (около 10 000 на квадратный метр в минуту), и их невозможно изменить.
“Мюоны космических лучей равномерно падают на Землю и всегда движутся с одинаковой скоростью, независимо от того, какую материю они пересекают, проникая даже сквозь 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”.
Изначально MUPs был создан для обнаружения изменений морского дна, вызванных подводными вулканами или тектоническими движениями. Она использует четыре опорные станции обнаружения мюонов на поверхности, чтобы предоставить координаты для приемника обнаружения мюонов под землей. Ранние версии этой технологии требовали подключения приемника к наземной станции с помощью провода, 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 полета” мюонов, позволяют определять координаты приемника. Эта новая система называется muometric wireless navigation system (MuWNS).
Чтобы проверить навигационные возможности MUON, эталонные детекторы были размещены на шестом этаже здания, в то время как “навигатор” перенес приемный детектор на цокольный этаж. Они медленно ходили взад и вперед по коридорам подвала, держа в руках приемник. Вместо навигации в режиме реального времени проводились измерения, которые использовались для расчета их маршрута и подтверждения пройденного пути.
“Текущая точность MUON составляет от 2 до 25 метров, с дальностью действия до 100 метров, в зависимости от глубины и скорости идущего 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 ”.
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 в масштабе чипа (CSAC): “CSAC уже имеются в продаже и на два порядка лучше кварцевых часов, которые мы используем в настоящее время. Однако сейчас они слишком дороги для нашего использования. Но я предвижу, что они станут намного дешевле по мере роста мирового спроса на CSAC для мобильных телефонов ”, – сказал Танака.
Когда-нибудь MUON могут использоваться 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 в конечном итоге их можно будет встроить в портативные устройства, такие как ваш телефон. В чрезвычайных ситуациях, таких как обрушение здания или шахты, это может изменить правила игры поисково-спасательных команд в будущем.
