Подземная навигация возможна с мюонами космических лучей
Используя наземные станции обнаружения мюонов, синхронизированные с подземным приемником обнаружения мюонов, исследователи из Токийского университета смогли вычислить положение приемника в подвале шестиэтажного здания.
Поскольку GPS не может проникать в 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.
Красная линия на этом изображении представляет собой путь, пройденный «навигатором», а белая линия с точками показывает путь, записанный MuWNS. Кредит: 2023 Хироюки К.М. Танака
GPS, глобальная система позиционирования, является хорошо зарекомендовавшим себя навигационным инструментом и предлагает обширный список положительных применений, от более безопасных авиаперелетов до картографирования местоположения в реальном времени. Однако у него 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 таких поверхностей, как стены, мешать деревьям и не могут проходить через здания, скалы или воду.
Для сравнения, в последние годы мюоны попали в заголовки газет из-за их способности помочь нам заглянуть глубоко внутрь вулканов, заглянуть сквозь пирамиды и заглянуть внутрь циклонов. Мюоны падают постоянно и часто по всему миру (около 10 000 на квадратный метр в минуту) и не могут быть подделаны.
«Мюоны космических лучей одинаково падают по всей Земле и всегда движутся с одинаковой скоростью, независимо от того, через какую материю они проходят, проникая даже в километры горных пород», — объяснил профессор Хироюки Танака из Muographix в Токийском университете. «Теперь, используя мюоны, мы разработали новый вид GPS, который мы назвали муометрической системой позиционирования (muPS), которая работает под землей, в помещении и под водой».
Первоначально MuPS был создан, чтобы помочь обнаружить изменения морского дна, вызванные подводными вулканами или тектоническим движением. Он использует четыре опорные станции обнаружения мюонов над землей для предоставления координат приемнику обнаружения мюонов под землей. Ранние итерации этой технологии требовали, чтобы приемник был подключен к наземной станции проводом, что значительно ограничивало движение.
Однако в этом последнем исследовании используются высокоточные кварцевые часы для синхронизации наземных станций с приемником. Четыре параметра, обеспечиваемые опорными станциями, плюс синхронизированные часы, используемые для измерения «времени пролета» мюонов, позволяют определять координаты приемника. Эта новая система называется муометрической беспроводной навигационной системой (MuWNS).
Чтобы проверить навигационные способности MuWNS, эталонные детекторы были размещены на шестом этаже здания, в то время как «навигатор» перенес детектор приемника на цокольный этаж. Они медленно ходили взад и вперед по коридорам подвала, держа в руках приемник. Вместо того, чтобы перемещаться в режиме реального времени, были проведены измерения, которые использовались для расчета их маршрута и подтверждения пути, который они выбрали.
«Нынешняя точность MuWNS составляет от 2 до 25 метров с дальностью 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 до практического уровня еще далеко. Людям нужна точность в один метр, и ключом к этому является синхронизация времени».
По словам исследователей, при использовании MuWNS в помещении или под землей он может достичь более высокой точности по сравнению с радиочастотной идентификацией (RFID) и технологиями Zigbee, а также гораздо более широкого диапазона, хотя и гораздо более низкой точности, чем лидар и акустическая навигация. Автор: 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 в масштабе чипа (CSAC). «CSAC уже коммерчески доступны и на два порядка лучше, чем кварцевые часы, которые мы используем в настоящее время. Однако они слишком дороги для нас, чтобы использовать их сейчас. Но я предвижу, что они станут намного дешевле по мере роста мирового 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 могут быть миниатюризированы, поэтому команда надеется, что в конечном итоге их можно будет установить в портативные устройства, такие как ваш телефон. В чрезвычайных ситуациях, таких как обрушение здания или шахты, это может изменить правила игры для поисково-спасательных команд в будущем.
Оригинал статьи: Hiroyuki K.M. Tanaka et al, First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments, iScience (2023).
Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.
