科学家对宇宙射线无线电导航系统进行首次测试 – Ars Technica

GPS 现在是日常生活的支柱，帮助我们在广泛的应用中进行定位、导航、跟踪、地图绘制和计时。 但它确实有一些缺点，最明显的是无法穿过建筑物、岩石或水。 这就是为什么日本研究人员开发了一种替代无线电导航系统，该系统依赖于宇宙射线或 μ 子，而不是无线电波，据称 新叶子 发表在 iScience 杂志上。 该团队进行了首次成功测试，搜索和救援团队有朝一日可以使用该系统，例如在水下引导机器人，或帮助自动驾驶车辆在地下航行。

“宇宙射线 μ 子均匀地落在地球上，并且无论穿过什么材料，都始终以相同的速度行进，甚至可以穿透数公里的岩石，” 合著者田中裕之说 到 Muographix 在日本东京大学。 “现在，我们利用 μ 子开发了一种新型 GPS，我们称之为 muPS，它可以在地下、室内和水下工作。”

如前所述，使用 μ 子在 考古结构的图像这个过程变得更容易，因为宇宙射线提供了这些粒子的稳定供应。 μ子也被使用 大通非法搬迁 边境口岸的核材料和活火山的监测，希望能检测到它们何时可能爆发。 2008 年，得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们古老的 μ 子探测器被重新用于在伯利兹寻找可能隐藏的玛雅遗址。 洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家开发了便携式 μ 子成像系统，以解开在顶部建造穹顶 (Il Duomo) 的秘密 维纳斯圣玛丽大教堂 在意大利佛罗伦萨，它是由菲利波·布鲁内莱斯基于 15 世纪初设计的。

2016 年，科学家使用 μ 子成像 接收信号 它指向隐藏在北面著名的人字形街区后面的一条通道 吉萨大金字塔 在埃及。 第二年，同一个团队在金字塔的另一个区域发现了一个神秘的空隙，认为它可能是一个隐藏的房间，后来用两种不同的方法对其进行了涂漆 介子成像 方法。 就在上个月，科学家们利用 μ 子成像发现了一个以前隐藏在古尼亚波利斯墓地废墟中的密室，该密室位于现今意大利那不勒斯下方约 10 米（约 33 英尺）处。

田中说，机器人和自动驾驶汽车有一天可能会在家庭、医院、工厂和采矿作业以及搜索和救援任务中很常见，但目前还没有一种通用的导航和定位手段。 等人. 如前所述，GPS 无法穿透地下或水下。 RFID 技术可以用小电池实现良好的准确性，但它需要一个带有服务器、打印机、监视器等的控制中心。 死账户存在长期估计错误，没有外部提示来提供更正。 声学方法、激光扫描和激光雷达也有缺点。 因此，田中和同事在开发他们的替代系统时转向了介子。

介子成像方法通常涉及充气室。 当 μ 子穿过气体时，它们与气体分子碰撞并发出一道闪光（闪光），探测器记录下来，使科学家能够计算出粒子的能量和轨迹。 它类似于 X 射线或探地雷达，不同之处在于更高能量的 μ 子是自然产生的，而不是 X 射线或无线电波。 这种高能量使得对致密、致密的物质成像成为可能。 成像物体越密集，被阻挡的 μ 子就越多。 Muographix 系统依赖于四个地面上的 μ 子探测参考站，这些参考站充当 μ 子探测接收器的坐标，这些接收器部署在地下或水下。

团队进行了 一审 2021 年，一系列基于 μ 子的水下传感器将用于检测东京湾快速变化的潮汐条件。 他们在位于海平面以下约 45 米（147 英尺）的东京湾水上线的服务隧道内放置了十个 μ 子探测器。 他们能够以 10 米（约 33 英尺）的空间分辨率和 1 米（3.3 英尺）的时间分辨率对隧道上方的海面进行成像，足以证明该系统能够感知强大的风暴波或海啸。

该阵列于同年 9 月进行了测试，当时来自南方的台风袭击了日本，导致海浪和海啸。 过量的水 略有增加 介子的色散，这种差异与海洋膨胀的其他测量结果非常一致。 去年，田中的团队报告说他们已经做到了 拍摄成功 使用射线照片的龙卷风垂直剖面，显示龙卷风横截面并揭示强度差异。 他们发现，与寒冷、高压的外部相比，暖核的密度较低。 结合现有的卫星跟踪系统，射线成像可以改进飓风预报。

该团队之前的迭代使用电线将接收器连接到地面站，这极大地限制了移动。 这个新版本——Muometric 无线导航系统，或 MuWNS——顾名思义，是完全无线的，并使用高精度石英钟使地面站与接收器同步。 结合参考站和同步时钟可以确定接收器的坐标。

为了试运行，地面站被放置在大楼的六楼，携带接收器的“领航员”在地下室走廊上走来走去。 由此产生的测量结果用于计算导航员的路线并确认所采用的路线。 根据 Tanaka 的说法，MuWNS 的精度在 2 到 25 米（6.5 到 82 英尺）之间，范围可达 100 米（约 328 英尺）。 “这与城市地区地面上的单点 GPS 定位一样好，甚至更好，”他说。 “但这离实用还很远。人们需要一米的精度，而关键是时间同步。”

一种解决方案是采用商用芯片大小的原子钟，其精度是石英钟的两倍。 但这些原子钟现在非常昂贵，尽管田中预计未来随着该技术被更广泛地集成到手机中，成本会下降。 从现在开始，MuWNS 中使用的其余电子设备将被最小化，使其成为便携式设备。

DOI：iScience，2023 年。 10.1016/j.isci.2023.107000 （关于 DOI）。