Перспективная альтернативная беспроводная система навигации по космическим лучам
У спутниковой навигации множество недостатков. В первую очередь это невозможность проникать сквозь здания, камни или воду. Вот почему японские исследователи разработали альтернативную беспроводную навигационную систему, которая использует космические лучи или мюоны вместо радиоволн. Команда провела первое успешное испытание, и однажды система может быть использована поисково-спасательными группами, например, для управления роботами под водой или для помощи автономным транспортным средствам в навигации под землёй.
Мюоны космических лучей одинаково падают на Землю и всегда движутся с одной и той же скоростью, независимо от того, какую материю они пересекают, проникая даже в километры горных пород. Теперь, используя мюоны, разработан новый тип навигации, который был назван мюометрической системой позиционирования (muPS), которая работает под землей, в помещении и под водой.
Как сообщалось ранее, существует долгая история использования мюонов для изображения археологических структур, и этот процесс упрощается, поскольку космические лучи обеспечивают постоянный приток этих частиц. Мюоны также используются для поиска нелегально перевозимых ядерных материалов на пограничных переходах и для наблюдения за действующими вулканами в надежде обнаружить, когда они могут извергнуться. В 2008 году учёные Техасского университета в Остине перепрофилировали старые детекторы мюонов для поиска возможных скрытых руин майя в Белизе. Физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории разрабатывают портативные версии систем визуализации мюонов, чтобы раскрыть секреты строительства купола собора Святой Марии дель Фьоре во Флоренции, спроектированного Филиппо Брунеллески в начале 15-го века.
В 2016 году учёные, использующие мюонную визуализацию, уловили сигналы, указывающие на скрытый коридор за знаменитыми шевронными блоками на северной стороне Великой пирамиды в Гизе. В следующем году та же команда обнаружила загадочную пустоту в другом месте пирамиды, полагая, что это может быть скрытая камера, которая впоследствии была нанесена на карту с помощью двух разных методов визуализации мюонов. И не далее, как в прошлом месяце учёные использовали мюонную визуализацию, чтобы обнаружить ранее скрытую камеру в руинах древнего некрополя Неаполя, примерно на 10 метров ниже уровня современного Неаполя.
Когда-нибудь автономные роботы и транспортные средства могут стать обычным явлением в домах, больницах, на фабриках и в горнодобывающих предприятиях, а также в поисково-спасательных операциях, но универсальных средств навигации и позиционирования пока нет. ГНСС не может проникнуть под землю или под воду. Технологии RFID могут обеспечить хорошую точность при использовании небольших батарей, но для них требуется центр управления с серверами, принтерами, мониторами и т.д. Счисление пути страдает от хронических ошибок оценки без внешнего сигнала для исправления. Акустические, лазерные и лидарные подходы также имеют недостатки.
Методы визуализации мюонов обычно включают в себя камеры, заполненные газом. Когда мюоны проносятся через газ, они сталкиваются с частицами газа и испускают контрольную вспышку света (мерцание), которая регистрируется детектором, что позволяет учёным рассчитать энергию и траекторию частицы. Это похоже на рентгеновское изображение или георадар, за исключением того, что в природе используются высокоэнергетические мюоны, а не рентгеновские лучи или радиоволны. Эта более высокая энергия позволяет отображать толстые и плотные вещества. Чем плотнее отображаемый объект, тем больше мюонов блокируется. Система Muographix опирается на четыре опорные станции обнаружения мюонов над землей, которые развёрнуты либо под землёй, либо под водой.
Команда японских учёных провела испытание массива подводных датчиков на основе мюонов в 2021 году, используя его для обнаружения быстро меняющихся приливных условий в Токийском заливе. Они разместили 10 мюонных детекторов в служебном туннеле проезжей части Tokyo Bay Aqua-Line, который находится примерно на 45 метров ниже уровня моря. Им удалось сфотографировать море над туннелем с пространственным разрешением 10 метров и временным разрешением 1 метр, что было достаточным для демонстрации способности системы обнаруживать сильные штормовые волны или цунами.
Массив подвергся испытанию в сентябре того же года, когда на Японию обрушился тайфун, вызвавший умеренные океанские волны и цунами. Дополнительный объём воды немного увеличил рассеяние мюонов, и это изменение хорошо соответствовало другим измерениям океанских волн. В прошлом году исследователям удалось получить изображение вертикального профиля циклона с помощью мюографии, показав поперечные сечения циклона и выявив различия в плотности. Они обнаружили, что тёплое ядро имеет низкую плотность, в отличие от холодной внешней среды с высоким давлением. В сочетании с существующими системами спутникового слежения мюография может улучшить прогнозирование циклонов.
В более ранних итерациях команда соединяла приёмник с наземной станцией с помощью провода, что значительно ограничивало движение. Эта новая версия — мюометрическая беспроводная навигационная система, или MuWNS, — полностью беспроводная и использует высокоточные кварцевые часы для синхронизации наземных станций с приёмником. В совокупности опорные станции и синхронизированные часы позволяют определить координаты приёмника.
Для пробного запуска наземные станции были размещены на шестом этаже здания, а «штурман» с приёмником ходил по коридорам подвала. Полученные измерения использовались для расчёта маршрута штурмана и подтверждения пройденного пути. По заявлениям исследователей, MuWNS работает с точностью от 2 до 25 метров с дальностью до 100 метров. Это так же хорошо, если не лучше, чем одноточечное ГНСС-позиционирование над землёй в городских районах. Но до практического уровня ещё далеко. Людям нужна метровая точность, и ключом к этому является синхронизация времени.
Одним из решений было бы использование коммерчески доступных атомных часов в масштабе чипа, которые вдвое точнее кварцевых часов. Но эти атомные часы в настоящее время слишком дороги, хотя вероятно, что в будущем стоимость будет снижаться по мере того, как технология будет более широко внедряться в мобильные телефоны. Остальная электроника, используемая в MuWNS, будет уменьшена в размерах, чтобы сделать его портативным устройством.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал