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.

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.
— 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.
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.
- Евгения Бусина
- Хироюки Танака
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
«Цирк Шубикова» с бомбами: как в СССР создали «невозможный» авианосец
Самолеты атаковали противника, срываясь с летающей авиабазы. Это пытались сделать и США, и Германия, но получилось только у Советского Союза...
Медный парадокс: почему электричество никогда не придет в каждый дом
Эксперты считают, что развитие цивилизации уперлось в мощный геологический барьер. Кто виноват и как выходить из этой ситуации?...
Тайна разгадана: почему люди — это единственные приматы с подбородком
Оказалось, что эволюция действует не так, как столетиями считали ученые...
«Проклятие» Романовых: отчего на самом деле умер брат Петра I, царь Федор?
Российские ученые разгадали болезнь, которая свела в могилу старшую ветвь царской семьи...
Обнаружены, но обречены: кто угрожает гробницам, которые старше первых пирамид?
6000-летняя культура, обнаруженная спутниками, была уникальной. Она застала времена, когда Сахара была еще зеленой...
Новое исследование: Христофор Колумб — вообще не тот, кем его считали историки
Ученые даже назвали подлинное имя великого мореплавателя...
Еще одна тайна Аркаима разгадана: ученые объяснили, почему древний город построен именно на этом месте
Оказалось, что наши далекие предки очень умело использовали природную инфраструктуру и обладали инженерными знаниями...
60 млрд Солнц в одной точке: что скрывает самая тяжелая пара черных дыр?
Секрет абсолютной пустоты, похоже, разгадан. Там нет вообще ничего: Ни пыли, ни газа, ни звезд...
Назад в будущее: почему Швеция запрещает смартфоны в школах и возвращается к бумажным учебникам?
По словам экспертов, отмена цифровизации сейчас происходит во многих странах. Неужели человечество одумалось и начинает выздоравливать?...
Мы все «марсиане»: ученые доказали, что жизнь с Красной планеты могла долететь за несколько лет
Компьютерное моделирование подтвердило: бактерии способны пережить Великий перенос с Марса на Землю. И этот процесс может идти прямо сейчас...
СССР был первым в энергии ветра: что помешало стать лидером планеты?
Это был невероятный и прорывной проект советского конструктора Юрия Кондратюка. Того самого, по расчетам которого, американцы полетели на Луну...
В тени российского орла: сколько раз Петербург спасал Вашингтон от полной гибели?
Когда-то американцы клялись, что США будет дружить с Россией, покуда светят звезды. А сейчас делают вид, что не помнят...