突破性技術可在GPS無法到達的地方實現導航
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。
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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)。
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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。