يستخدم نظام تحديد المواقع الميونات الكونية للتنقل تحت الأرض - عالم الفيزياء

يمكن أن توفر الميونات الكونية بديلاً عمليًا لأنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSSs) في الأماكن التي لا يمكن للإشارات الراديوية الوصول إليها. هذا هو الاستنتاج الذي توصل إليه تعاون muPS ، الذي أوجد نظامًا يعمل في عمق الطابق السفلي لمبنى الجامعة. قاد فريق muPS هيرويوكي تاناكا في جامعة طوكيو ، ويمكن أن يسمح نظامها الجديد للمستخدمين بالتنقل في البيئات الداخلية وتحت الأرض وتحت الماء.

تعمل أنظمة GNSS مثل GPS عن طريق إرسال إشارات الراديو من مجموعة من الأقمار الصناعية إلى جهاز استقبال على الأرض. بينما أحدثت النظم العالمية لسواتل الملاحة ثورة في كيفية الالتفاف ، يتم إضعاف إشارات GNSS بسرعة بمواد مثل المعادن والخرسانة والصخور والمياه - مما يحد من استخدامها في الداخل وتحت الأرض وتحت الماء.

في عام 2020 ، قدم فريق تاناكا نهجًا جديدًا تمامًا يتتبع موقع المستقبل باستخدام الميونات الكونية. تتشكل هذه الجسيمات عندما تتصادم الأشعة الكونية عالية الطاقة مع الغلاف الجوي للأرض ، وهي تمطر علينا باستمرار.

تتحرك عبر الجبال

يوضح تاناكا: "لا يتم اعتراض الميونات الكونية مثل موجات الراديو ، حيث يمكنها اختراق الأهرامات أو الجبال ، مما يجعل هذه التقنية مناسبة للملاحة الشاملة في الداخل أو تحت الأرض".

النظام الذي أطلق عليه مخترعو نظام muPS Wireless Navigation System (muWNS) ، يستبدل الأقمار الصناعية بشبكة مكونة من ثلاثة أو أكثر من أجهزة الكشف عن الميونات المرجعية ، والتي تتم مزامنتها مع كاشف المستقبل. يمكن إعداد هذه الكواشف المرجعية على الأسطح أو الطوابق العليا للملاحة الداخلية ، أو على مستوى الأرض أو البحر للتنقل عبر البيئات تحت الأرض أو تحت الماء.

يعمل النظام عن طريق تحديد الميونات التي مرت عبر أحد أجهزة الكشف المرجعية ثم مرت عبر جهاز الاستقبال. تنتقل هذه الميونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء ، مما يسمح لـ muWNS بحساب المسافة بين الكاشف المرجعي والمستقبل. من خلال القيام بذلك عدة مرات باستخدام كاشفات مرجعية مختلفة ، يستخدم النظام التثليث لتحديد موضع المستقبل.

في حين أن المفهوم بسيط ، كان على فريق تاناكا التغلب على العديد من التحديات أثناء تطوير muWNS. يتطلب التصميم الأولي توصيل جهاز الاستقبال بكل كاشف مرجعي لضمان التزامن الدقيق للوقت ، مما يقيد بشدة نطاق وفائدة النظام.

ضبط الوقت بدقة

للتغلب على هذه المشكلة ، قام الفريق بتزويد أجهزة الكشف بساعات بلورية كوارتز فائقة الدقة ، والتي تمت مزامنتها للسماح لهم بمقارنة أوقات وصول الميون لاسلكيًا.

تمكن الباحثون أيضًا من تحسين دقة نظامهم الأولي. يتذكر تاناكا: "عندما تم عرض موقع muWNS لأول مرة منذ حوالي عام ، كانت دقة الملاحة أقل من 10 أمتار فقط". "هذا بعيد عن المستوى المرضي للتنفيذ العملي."

من خلال زيادة تحسين دقة الساعات ، قام الفريق الآن بتقليل الأخطاء التي تتراكم في التوقيت بشكل كبير. في العرض التوضيحي الأخير ، أظهر فريق تاناكا أن muWNS أصبحت الآن دقيقة بما يكفي لتكون مفيدة للملاحة الداخلية.

في دراسة جديدة ، استخدم الباحثون نظام muWNS لتتبع مسار المستخدم عبر الطابق السفلي من معهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو - وهي منطقة لا يمكن الوصول إليها بواسطة نظام GNSS التقليدي. تم ذلك باستخدام أجهزة الكشف المرجعية الموضوعة في الطابق السادس من المبنى.

تحسن ملحوظ

عندما كان المستخدم في نطاق قريب مع أجهزة الكشف المرجعية ، أظهر النظام تحسنًا ملحوظًا. يوضح تاناكا: "تبلغ الدقة الحالية للميغاواط من 2 إلى 25 مترًا ، مع نطاق يصل إلى 100 متر ، اعتمادًا على عمق وسرعة الشخص الذي يمشي". "هذا أمر جيد مثل ، إن لم يكن أفضل ، من تحديد موقع GPS أحادي النقطة فوق الأرض في المناطق الحضرية."

إعادة بناء مفاعل نووي ثلاثي الأبعاد باستخدام التصوير بالميون

ومع ذلك ، يقول تاناكا إنه لا يزال هناك مجال كبير للتحسين. "MuWNS لا يزال بعيدًا عن التطبيق العملي. يحتاج الأشخاص إلى دقة تبلغ مترًا واحدًا ، ومفتاح ذلك هو مزامنة الوقت ".

يأمل الباحثون في إمكانية إجراء تحسينات مستقبلية باستخدام الساعات الذرية على نطاق الرقائق للتوقيت. تعتبر هذه الساعات مرتبة من حيث الحجم أكثر دقة من بلورات الكوارتز ، ولكنها باهظة الثمن اليوم للاستخدام العملي. يعتزم فريق تاناكا أيضًا تصغير مكونات النظام ، ويعتقد أنه يمكن أن يتناسب في النهاية مع جهاز محمول باليد.

تم وصف البحث في iScience.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/positioning-system-uses-cosmic-muons-to-navigate-underground/