據報導，東京大學的研究人員利用被稱為μ介子的超快亞原子粒子進行地下無線導航，這在全球尚屬首次。研究小組利用探測μ介子的地面站，將其與地下μ介子探測接收器協調，以確定接收器在一棟六層樓房地下室中的位置。

圖片中的紅線代表”導航員”走過的路徑，而帶點的白線則是MuWNS 記錄的路徑。圖片來源：2023 Hiroyuki KM Tanaka

由於全球定位系統在岩石下和水中無效，這項新興技術有望在未來應用於搜救任務、監測水下火山以及在地下和水生環境中指揮自動駕駛車輛。

全球定位系統（GPS）是一種成熟的導航工具，從更安全的空中旅行到實時位置製圖，它提供了一系列廣泛的積極應用。然而，它也有一些局限性。GPS 信號在高緯度地區較弱，而且可能受到干擾或欺騙（用偽造信號代替真實信號）。信號還會被牆壁等表面反射，受到樹木的干擾，並且無法穿過建築物、岩石或水。

μ介子的存在時間只有2.2 微秒（1 微秒僅為百萬分之一秒），但由於它們在真空中以光速（每秒30 萬公里）傳播，因此它們有足夠的時間從大氣層到達地球並深入地下。

相比之下，μ介子近年來一直是學界關注的焦點，因為它們能夠幫助我們觀察火山深處、窺視金字塔和氣旋內部。μ介子不斷頻繁地落在世界各地（每分鐘每平方米約有10,000個），而且無法干擾。

“宇宙射線μ介子在地球上的落點是相同的，而且無論穿過什麼物質，總是以相同的速度傳播，甚至可以穿透數公里的岩石，”東京大學Muographix 公司的田中博之教授解釋說。”現在，通過使用μ介子，我們開發出了一種新型GPS，我們稱之為μ介子定位系統（muPS），它可以在地下、室內和水下工作”。

μPS最初是用來幫助探測水下火山或構造運動引起的海底變化的。它利用地面上的四個μ介子探測基準站為地下的μ介子探測接收器提供坐標。這種技術的早期版本要求接收器通過導線與地面站連接，大大限制了移動。然而，這項最新研究利用高精度石英鐘使地面站與接收器同步。參考站提供的四個參數加上用於測量μ介子”飛行時間”的同步時鐘，使接收器的坐標得以確定。這種新系統被稱為μ介子無線導航系統（MuWNS）。

據研究人員稱，在室內或地下環境中使用MuWNS 時，與射頻識別（RFID）和Zigbee 技術相比，它可以達到更高的精度；與激光雷達和聲學導航相比，雖然精度低得多，但范圍更廣。資料來源：2023 Hiroyuki KM Tanaka

為了測試MuWNS 的導航能力，參考探測器被放置在一棟大樓的六樓，而”導航者”則將接收探測器帶到地下室。他們拿著接收器在地下室的走廊裡慢慢地走來走去。不是實時導航，而是通過測量來計算他們的路線，並確認他們所走的路徑。

“目前，MuWNS 的精度在2 米到25 米之間，範圍可達100 米，具體取決於深度和行走速度。這與城市地區地面上的單點GPS 定位一樣好，甚至更好，”Tanaka 說。”但離實用水平還很遠。人們需要一米的精確度，而這其中的關鍵是如何實現時間同步。”

改進這一系統，實現實時、一米精度的導航，取決於時間和資金。理想情況下，研究小組希望使用芯片級原子鐘（CSAC）。

“CSAC已經可以在市場上買到，比我們目前使用的石英鐘好兩個數量級。但是，它們太昂貴了，我們現在還不能使用。但我預計，隨著全球對手機用CSAC 需求的增加，它們的價格會便宜得多，”Tanaka 說。

有朝一日，MuWNS 可用於為在水下工作的機器人導航，或引導自動駕駛車輛駛入地下。除了原子鐘之外，MuWNS 的所有其他電子元件現在都可以小型化，因此研究小組希望最終能將其安裝到手機等手持設備中。在建築物或礦井坍塌等緊急情況下，這可能會改變搜救團隊未來的遊戲規則。