Новая технология навигации без GPS: как найти своего друга в подвале с помощью субатомных частиц

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

GPS — это удобный и самый популярный способ определения местоположения на Земле, который применяется в разных областях, от координирования авиации до онлайн-карт. Но этот способ имеет свои недостатки: сигналы GPS могут быть слабыми, нестабильными, их можно подменить, и вдобавок ко всему — не могут пройти через твердые или жидкие преграды. Поэтому ученые ищут альтернативные методы навигации, которые были бы эффективными в условиях, где GPS не работает.

Один из таких методов разработали японские ученые из Университета Токио. Они использовали свойства мюонов — элементарных частиц, которые постоянно бомбардируют Землю из космоса. Мюоны имеют очень высокую (почти как у света) скорость и способность проникать на большие глубины под землей, сохраняя при этом свое направление и энергию. Эти частицы не подвержены воздействию магнитного поля Земли или других факторов.

Японские ученые придумали мюометрическую систему позиционирования (muPS), которая может работать там, куда сигнал GPS физически не может проникнуть — под землей, в зданиях и даже под водой. Эта система состоит из пяти мюонных детекторов: четыре из них на поверхности и однин под землей, в качестве навигатора. Каждый детектор имеет две пластины из светочувствительного материала, между которыми находится слой газа. Когда мюоны взаимодействуют с газом, они излучают фотоны, которые фиксируются детектором. По числу фотонов ученые определяют энергию и угол падения частицы.

Для того, чтобы найти положение подземного детектора, ученые используют метод трилатерации. Этот метод позволяет определить координаты объекта по известным координатам двух или более точек-ориентиров и расстояниям от объекта до них. В случае с muPS точками-ориентирами являются поверхностные детекторы, а расстояниями — углы прихода мюонов к ним. По этим данным можно построить конусы, вершинами которых являются детекторы. Конусы направлены в сторону подземного детектора. Пересечение всех четырех конусов дает приблизительное положение подземного детектора. Чем больше мюонов проходит через все пять детекторов, тем точнее можно определить координаты подземного детектора.

Ученые провели эксперимент по проверке работы muPS в подвале шестиэтажного здания. Они установили четыре детектора на крыше здания и один в подвале. За 12 часов они смогли определить координаты подземного детектора с точностью до 7,4 метра. Это достаточно хороший результат, учитывая, что расстояние между детекторами было около 30 метров, а глубина под землей — около 10 метров.

Белая линия — путь перемещения навигатора, красная — путь, который определил muPS
Автор: 2023 Hiroyuki K.M. Tanaka Источник: scitechdaily.com

Система muPS имеет большой потенциал для применения в будущем, например в поисково-спасательных операциях, мониторинге подводных вулканов и направлении автономных транспортных средств в подземных и водных условиях. Она также может быть полезна для изучения геологической структуры Земли и обнаружения скрытых объектов. Однако у системы есть и свои недостатки, такие как высокая стоимость детекторов, низкая скорость обработки данных и зависимость от погодных условий. Поэтому muPS пока не может полностью заменить GPS, но может быть эффективным дополнением к нему.

А как подземный датчик поддерживает связь с наземными?

При разработке этой технологии, учеными были выведены два способа, как подземный и наземные датчики мюонов могут поддерживать связь между собой:

— Первый способ — использовать проводную сеть, которая соединяет датчики между собой. Это позволяет передавать данные о регистрации мюонов в реальном времени и синхронизировать время измерений. Однако этот способ требует больших затрат на установку и обслуживание проводов, а также может быть подвержен помехам или повреждениям, не говоря уже о том, что это абсолютно непрактично.

 — Второй способ — использовать беспроводную сеть, которая работает по принципу Wi-Fi. Это позволяет избежать проблем с проводами и сделать систему более гибкой и мобильной. Однако этот способ требует высокоточных часов для синхронизации времени измерений, а также может быть подвержен влиянию окружающей среды или затруднен в условиях, где радиоволны впринципе не могут проникать. В обоих случаях датчики обмениваются информацией о количестве, энергии и направлении мюонов, которые они регистрируют. Эта информация используется для определения положения подземного датчика по методу трилатерации.

8 комментариев

A
Насколько я помню свою недолгую работу с космическими лучами, мюоны не идут к нам из космоса, а рождаются в атмосфере при бомбардировке ее космическими лучами. Очень уж они короткоживущие, чтобы летать из космоса даже на околосветовых скоростях. Потому на мюоны и не очень сильно действует магнитное поле Земли. Так что, как японцы привязывают весьма хаотично рождающиеся частицы к космическим точкам для определения геопозиции, мне не очень понятно. Со спутниками все намного понятнее, у них положение известно с высокой точностью.
102976506796884933242@google
Это и не космические точки, это, считай, шум атмосферы, в виде линий, падающих под определенным углом каждая. Датчики засекают эти углы падения, составляя своего рода «карту», после чего сравнивают смещение подземной «карты» относительно «наземной», таким образом и понимают, где находится подземный датчик. Ну это если очень грубо описывать. В прикрепленных ссылках более подробно описано, там и формулы и всё прочее
A
Вот этого я и не понимаю. Летит высокоэнергетическая частица из космоса под случайным углом к атмосфере. Долбится об атом атмосферы, дает какой-нибудь пион или что там еще, пион распадается на мюон и еще какую-нибудь фигню. И все это летит под случайными углами. Исходное направление частицы и так неизвестно, а под каким углом получится направление мюона — кинематика его знает… Сравнивать с направлением другого мюона, прилетевшего в другой датчик — ерунда получится.
102976506796884933242@google
Для этого и нужна высокоточная синхронизация по времени, чтобы понимать, что конкретно этот мюон зарегистрирован двумя датчиками — наземным и подземным. Отсюда и погрешности в метры, что не всегда синхронизация точно срабатывает.
Другое дело, что при наличии вводных, таких как проводная либо беспроводная связь между подземкой и поверхностью есть, на мой взгяд, более простые способы геопозиционирования, но разработка на то и разработка, что в начале она сырая и неточная, а в последствии доводится до субсантиметровых точностей. По крайней мере сами исследователи на это рассчитывают.
A
Начинается все с заявления профессора, что все мюоны летят одной скоростью… Это уже бездоказательно с учетом механизма рождения мюонов. Доказать, что оба детектора поймали один и тот же мюон — еще сомнительнее. С учетом микросекундных или даже меньше интервалов времени… Ловить разные мюоны — еще интереснее. Короче, понимаю, что ничего не понимаю…
102976506796884933242@google
Я тоже статью очень долго собирал по крупицам, на самом деле. В расчёты путём трилатерации и триангуляции я даже лесть не стал, дабы никого не запутать ещё глубже, но даже в таком виде для меня эта технология тоже очень труднопонимаемой остаётся. Но проходить мимо, я тоже считаю неправильным, потому что технология очень интересная, хоть и труднопонимаемая
A
Со всякими там формулами японцы работают очень аккуратно и им верить можно. Меня, как человека, занимавшегося кинематикой процессов столкновений и рождения частиц, удивляет, как из хаоса летящих под случайными углами и скоростями мюонов можно получить свое местоположение да еще в движении.
111757677018325410541@google
Проблема с GPS: радиосигнал от спутника не пробивает под воду. Давайте заменим приемник GPS устройством, которое ловит мюоны… и нуждается в жирном радиоканале с высокой скоростью отклика. Субмарина уныло проталкивает по СНЧ-каналу байт за байтом: «Н… У… О… Х… [помехи]… Т… Ь… Т… Е… П… Е… Р… Ь...»

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как выбрать лучший тариф для мобильного интернета в условиях роста трафика

С каждым годом объем нашего мобильного трафика увеличивается: стримы, видеозвонки, социальные сети — всё это требует всё больше и больше гигабайт. Выбрать подходящий тариф на мобильный...

Что такое магнитная буря: простое объяснение явления из космоса

Магнитная буря — это как эффект бабочки, только в космическом масштабе. Солнце где-то там, за 150 миллионами километров, «чихает» заряженными частицами, а мы здесь, на Земле, чувствуем...

Употребляют ли дикие животные алкоголь: интересные факты и научные исследования

Употребление этанола нечеловеческими организмами считается довольно редким и случайным явлением. Однако, в окружающей среде существует гораздо больше спиртосодержащих продуктов, чем мы...

Обязан ли водитель остановиться по требованию сотрудника полиции, не являющегося инспектором ДПС?

На дорогах у водителей иногда возникают ситуации, когда остановку автомобиля требует человек в форме сотрудника полиции, но без опознавательных знаков, характерных для инспекторов ДПС. Естественно,...

Как пользоваться смартфоном без Google-сервисов: реально ли это?

Задумывались ли вы, возможно ли полноценно пользоваться смартфоном без Google-сервисов? На первый взгляд кажется, что современный телефон — это нечто немыслимое без встроенных...

Вид из окна дороже забора: почему в США существуют ограничения на высоту и прочность заборов

Американская мечта часто ассоциируется с просторным домом с белым забором. Однако, в реальности, возведение этого самого забора может превратиться в настоящее испытание, ограниченное строгими...