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.
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.
