Альтернатива GPS использует космические лучи для подземной и подводной навигации
GPS — мощная навигационная технология, но она плохо работает внутри зданий, под землей или под водой. Теперь инженеры в Японии разработали и протестировали альтернативную технологию, которая использует космические лучи для отслеживания движения под зданием с точностью до нескольких метров.
GPS использует сеть из нескольких десятков спутников на точных орбитах вокруг Земли, а приемники в таких устройствах, как телефоны, постоянно прослушивают сигналы этих спутников.
Устройства могут определить, насколько далеко они находятся от любого обнаруженного спутника GPS, и когда они улавливают сигналы как минимум от четырех из них, устройство может определить свое относительное положение на земле с точностью до нескольких метров.
Хотя система довольно точна для повседневного использования, сигналы GPS отражаются от камней, воды и поверхностей, таких как стены, что означает, что система теряет точность под землей, под водой, внутри зданий или даже просто в густонаселенных районах. Поэтому исследователи из Токийского университета разработали новую технологию, которую они назвали мюометрической беспроводной навигационной системой (MuWNS), которая предназначена для более точной работы в таких ситуациях.
Ключевым моментом MuWNS является то, что «сигналы», которые она отслеживает, могут проходить прямо через твердые материалы. Эти сигналы представляют собой частицы, известные как мюоны, которые образуются, когда космические лучи входят в атмосферу Земли и взаимодействуют с уже присутствующими частицами, создавая каскад вторичных частиц. И этот «дождь» идет постоянно — по оценкам, каждый квадратный метр земной поверхности каждую минуту получает примерно 10 000 мюонов.
Ученые протестировали MuWNS глубоко в многоэтажном здании, где обычный GPS не смог бы сохранить свою точность. Испытатель с переносным мюонным детектором был отправлен в подвал здания, и положение этого детектора отслеживалось с помощью четырех опорных станций на шестом этаже здания.
Эти опорные станции функционировали как спутники GPS — отслеживая пути мюонов, уловленных каждой станцией и детектором, положение испытателя можно было отследить с довольно высокой степенью точности. Тем не менее, по словам команды, есть еще много возможностей для улучшения.
«Текущая точность MuWNS составляет от 2 до 25 метров с диапазоном до 100 метров, в зависимости от глубины и скорости идущего человека», — сказал профессор Хироюки Танака, ведущий автор исследования.
«Она так же хороша, если не лучше, чем одноточечное GPS-позиционирование над землей в городских районах. Но до практического уровня еще далеко. Людям нужна точность в один метр, и ключом к этому является синхронизация времени».
Исследователи говорят, что в конечном итоге технологию можно улучшить с помощью атомных часов, которые подходят для портативных устройств, которые находятся в разработке, но в настоящее время слишком дороги для широкого использования.
Другие используемые компоненты уже могут быть миниатюризированы. Эксперимент также отслеживал путь исследователя только постфактум, но будущая работа будет исследовать его в режиме реального времени.
В последние годы детекторы мюонов уже помогли ученым заглянуть внутрь твердых объектов, таких как Великая пирамида в Гизе, и протестировать точную систему синхронизации часов, которая работает под землей и под водой. Последний эксперимент показывает, что в один прекрасный день эта технология может помочь расширить возможности навигации в тех местах, где она в настоящее время не работает должным образом.
Исследование было опубликовано в журнале iScience.