2023-06-25 12:27:00 來(lái)源 : 今日科學(xué)
本報(bào)訊 日本科學(xué)家開(kāi)發(fā)的一種基于宇宙射線高能粒子的導(dǎo)航系統(tǒng)日前成功完成地下測(cè)試,這在全球尚屬首次。未來(lái),這項(xiàng)技術(shù)有望用來(lái)引導(dǎo)地下或水下機(jī)器人,甚至為倒塌礦井或建筑物的搜救工作提供幫助。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《交叉科學(xué)》。
(相關(guān)資料圖)
宇宙射線撞擊地球大氣層產(chǎn)生的粒子被稱為μ介子,它在全球范圍內(nèi)持續(xù)下落,每分鐘每平方米大約有1萬(wàn)個(gè),且無(wú)法被更改。
目前使用的全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種成熟的導(dǎo)航工具,被廣泛應(yīng)用于從航空旅行到實(shí)時(shí)地圖的眾多領(lǐng)域。然而,它也存在一些局限性。GPS信號(hào)在高緯度地區(qū)較弱,可能會(huì)被干擾或偽造;此外,GPS信號(hào)會(huì)被墻壁等表面反射,無(wú)法穿過(guò)建筑物、巖石或水體。
相比之下,近年來(lái),由于在透視火山、金字塔以及觀察颶風(fēng)內(nèi)部等方面展現(xiàn)出的重要作用,μ介子一直保持著較高的研究熱度。
日本東京大學(xué)教授Hiroyuki Tanaka解釋說(shuō),μ介子能均勻落在地球上,無(wú)論穿過(guò)什么物質(zhì),它們都會(huì)以相同的速度行進(jìn),甚至可以穿透數(shù)公里的巖石。“現(xiàn)在,我們已經(jīng)通過(guò)μ介子開(kāi)發(fā)出一種新型GPS,并稱之為微測(cè)量定位系統(tǒng)(muPS),可以在地下、室內(nèi)和水下工作?!?/p>
MuPS最初是為了幫助探測(cè)由海底火山或構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的海底變化。它使用4個(gè)地上μ介子探測(cè)參考站為地下μ介子探測(cè)接收器提供坐標(biāo)。這種技術(shù)的早期版本要求接收器通過(guò)電線連接到地面站,機(jī)動(dòng)性受到極大限制。
這項(xiàng)最新研究使用高精度石英鐘同步地面站和接收器,參考站提供的4個(gè)參數(shù)加上用于測(cè)量μ介子“飛行時(shí)間”的同步時(shí)鐘可以確定接收器的坐標(biāo)。這種新系統(tǒng)被稱為微測(cè)量無(wú)線導(dǎo)航系統(tǒng)(MuWNS)。
為了測(cè)試MuWNS的導(dǎo)航能力,參考探測(cè)器被放置在一棟建筑的第六層,研究人員則拿著接收器前往地下室,并在地下室的走廊里走來(lái)走去。雖然沒(méi)有實(shí)時(shí)導(dǎo)航,但測(cè)量結(jié)果可以用來(lái)計(jì)算他們的路線,并確認(rèn)他們所走的路徑。
“目前MuWNS的精度在兩米到25米之間,范圍可達(dá)100米,具體取決于人所處的深度和行走的速度。這與城市地面的單點(diǎn)GPS定位效果一樣,甚至更好。但它仍然遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用水平,人們需要1米的精度,而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是時(shí)間同步。”Tanaka說(shuō)。
改進(jìn)這一系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確的導(dǎo)航取決于時(shí)間和資金。理想情況下,該團(tuán)隊(duì)希望使用芯片級(jí)原子鐘(CSAC)。
“CSAC已經(jīng)商業(yè)化,比我們目前使用的石英鐘精度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。然而,它太貴了,我們現(xiàn)在無(wú)法使用?!钡玊anaka預(yù)計(jì),隨著全球?qū)SAC手機(jī)需求的增加,它們會(huì)變得更便宜。
未來(lái),MuWNS有可能會(huì)被用于引導(dǎo)水下機(jī)器人或地下自動(dòng)駕駛車(chē)輛。除原子鐘外,MuWNS的所有其他電子組件現(xiàn)在都可以小型化,因此該團(tuán)隊(duì)希望最終能將其安裝到手持設(shè)備中,如手機(jī)。此外,在建筑物或礦井發(fā)生坍塌事故后,相關(guān)設(shè)備也會(huì)給搜救工作帶來(lái)極大幫助。(辛雨)
相關(guān)論文信息:
https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107000
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