Время прочтения: 3 минуты
В мае 2023 года исследователи Токийского университета продемонстрировали навигационную систему, которая может работать под землей и под водой, отслеживая элементарные частицы, мюоны. Инженеры в Японии испытали альтернативную технологию, которая использует космические лучи для позиционирования под зданием с точностью до нескольких метров.
Зачем нужны новые технологии позиционирования
Навигация с помощью спутников – например, всем знакомый GPS – это мощная технология. Но если вам необходимо определить свое место в пространстве внутри зданий, под землей или под водой, то смартфон вам, увы, не поможет. Глобальные системы позиционирования ГНСС/GPS используют сеть из нескольких десятков спутников на точных орбитах вокруг Земли, а приемники (например, ваш телефон), прослушивают сигналы от них. Приемники могут оценить, как далеко они находятся от любого обнаруженного спутника, и поймав сигналы как минимум от четырех из них, устройство может определить свое относительное положение с точностью до нескольких метров.
Этот метод подходит для многих повседневных задач (для навигации в городе или для полевых исследований), вот только сигналы спутников отражаются от камня и воды, а это значит, что система теряет точность в шахтах и тоннелях, под водой, внутри зданий или даже просто в районах с плотной застройкой.
Мюоны спешат на помощь
Для навигации в местах, где сигнал спутников неточный или недоступный, исследователи из Токийского университета разработали мюометрическую беспроводную навигационную систему (MuWNS). Их исследование было опубликовано 29 мая 2023 года в журнале iScience.
"Сигналы", которые отслеживает система MuWNS, могут проходить сквозь твердые материалы. Эти сигналы — это мюоны, элементарные частицы, которые образуются, когда космические лучи попадают в атмосферу Земли и взаимодействуют с уже присутствующими частицами, создавая каскад вторичных частиц. Этот мюонный дождь идет постоянно, и на один квадратный метр поверхности Земли каждую минуту выпадает около 10000 мюонов.
Команда испытала MuWNS в многоэтажном здании, где навигация по спутникам не смогла бы обеспечить достаточную точность. Ученый с ручным мюонным детектором ходил по подвалу здания, а положение детектора отслеживалось с помощью четырех референцных станций на шестом этаже. Станции работали как спутники GPS — отслеживая пути мюонов, улавливаемых каждой станцией и детектором, можно было с высокой степенью точности отследить положение человека в подвале.
Лимиты и возможности
По словам Хироюки Танака, ведущего автора исследования, сейчас точность MuWNS составляет от 2 м до 25 м, с дальностью действия до 100 м, в зависимости от глубины и скорости идущего человека. Это не хуже, если не лучше, чем одноточечное GPS-позиционирование над землей в городских районах. Тем не менее, по словам команды, этой технологии есть куда расти, и до практического уровня еще далеко.
Людям нужна точность в один метр, а ключ к этому – синхронизация времени. Точность позиционирования можно повысить с помощью атомных часов, устанавливаемых в портативные устройства – эта технология находится в разработке, но в настоящее время слишком дорога для широкого использования. В будущих работах исследователи также изучат возможность мюонного позиционирования в режиме реального времени.
Мюонные детекторы сейчас и в будущем
В последние годы детекторы на основе мюонов используются все чаще, и, например, в 2017 году эта технология помогла ученым заглянуть внутрь Великой пирамиды Гизы. Путь мюонов проходит по прямой, пока они не столкнутся с плотным или твердым объектом, и тогда они могут слегка отклониться. Измеряя треки этих частиц, исследователи могут увидеть, что внутри пирамиды: твердая порода или пустое пространство.
Скорее всего, мы еще услышим про мюонное позиционирование и другие варианты применения мюонных детекторов. Судя по эксперименту японских исследователей, в один прекрасный день технологии на основе мюонов могут дополнить позиционирование с ГНСС/GPS в тех областях, где сейчас оно работает проблемно.
- First navigation with wireless muometric navigation system (MuWNS) in indoor and underground environments – Tanaka et al. — iScience — May 29, 2023.
- GPS alternative taps cosmic rays for underground or underwater navigation — Michael Irving — New Atlas — June 18, 2023.
Материал подготовила Юлия Федорова