ВСЛУХ

Как космические лучи помогают навигации там, где GPS бессилен

Как космические лучи помогают навигации там, где GPS бессилен
GPS — мощная технология навигации, которая хорошо работает на открытом пространстве, но теряет точность внутри зданий, под землей или под водой. Инженеры из Японии разработали и протестировали альтернативную технологию, которая использует космические лучи для определения движения под зданием с точностью до нескольких метров.


GPS основан на сети из нескольких десятков спутников, находящихся на точных орбитах вокруг Земли, и приемниках в устройствах, таких как телефоны, которые постоянно принимают сигналы от этих спутников. Устройства могут вычислить, на каком расстоянии они находятся от любого обнаруженного GPS-спутника, и когда они получают сигналы от как минимум четырех из них, устройство может определить свое положение на поверхности Земли с точностью до нескольких метров. Этого достаточно для повседневного использования, но GPS-сигналы отражаются от скал, воды и поверхностей, таких как стены, что означает, что система теряет точность под землей, под водой, внутри зданий или даже просто в плотно застроенных районах. Поэтому исследователи из Токийского университета разработали новую технологию, которую они назвали беспроводной навигационной системой на основе мюонов (MuWNS), которая предназначена для более точной навигации в таких ситуациях.

Ключ к MuWNS заключается в том, что «сигналы», которые она отслеживает, могут проходить сквозь твердые материалы. Эти сигналы представляют собой частицы, называемые мюонами, которые возникают при входе космических лучей в атмосферу Земли и их столкновении с уже существующими частицами, в результате чего образуется каскад вторичных частиц. Этот дождь не прекращается — по оценкам, каждый квадратный метр поверхности Земли подвергается обстрелу около 10 000 мюонов в минуту.

Команда испытала MuWNS глубоко в многоэтажном здании, где обычный GPS имел бы проблемы с поддержанием своей точности. Ученый с переносным мюонным детектором был отправлен в подвал здания, а положение этого детектора отслеживалось с помощью четырех опорных станций на шестом этаже здания.

Как космические лучи помогают навигации там, где GPS бессилен
Диаграмма, иллюстрирующая работу мюометрической беспроводной навигационной системы (MuWNS). Зеленые точки обозначают опорные станции на 6-м этаже здания, а белые полосы обозначают мюоны. Красная стрелка в подвале представляет собой путь, пройденный исследователем с мюонным детектором, а белая пунктирная линия показывает путь, который смог определить MuWNS.


Опорные станции функционировали как GPS-спутники — отслеживая траектории мюонов, зафиксированных каждой станцией и детектором, можно было определить положение ученого с высокой степенью точности. Хотя, как говорят ученые, есть еще много места для улучшения.

Текущая точность MuWNS составляет от 2 до 25 метров, а дальность — до 100 метров, в зависимости от глубины и скорости движения человека. Это так же хорошо, если не лучше, чем одноточечное GPS-позиционирование над землей в городских условиях. Но это все еще далеко от практического применения. Людям нужна точность в один метр, а ключ к этому — синхронизация времени

— профессор Хироюки Танака, ведущий автор исследования.

Ученые говорят, что в будущем проблему можно будет решить с помощью атомных часов, которые помещаются в переносные устройства, но на данный момент они слишком дороги для широкого использования. Другие компоненты, используемые в системе, уже могут быть уменьшены.

В последние годы мюонные детекторы также помогли ученым заглянуть внутрь твердых структур, таких как Великая пирамида Гизы, и протестировать точную систему синхронизации часов, которая работает под землей и под водой. Последний эксперимент показывает, что однажды эта технология может помочь дополнить GPS в областях, где он сейчас работает плохо.

Исследование было опубликовано в журнале iScience.

Автор:

Использованы фотографии: Хироюки Танака

Мы в Мы в Яндекс Дзен
Топ странных, но крутых вопросов современной физикиРодились первые дети, зачатые с помощью робота