A helymeghatározó rendszer kozmikus müonokat használ a föld alatti navigációhoz – Fizika világa

A helymeghatározó rendszer kozmikus müonokat használ a föld alatti navigációhoz – Fizika világa

Időbélyeg: 11. július 2023. 4:19

Kozmikus müonnavigáció
Hogyan működik: egy muWNS vevő helyének meghatározása négy detektor segítségével a felületen. (Jóvolt: Hiroyuki Tanaka)

A kozmikus müonok praktikus alternatívát jelenthetnek a globális navigációs műholdrendszerekkel (GNSS) szemben olyan helyeken, ahová a rádiójelek nem tudnak eljutni. Ezzel zárult a muPS együttműködés, amely egy egyetemi épület alagsorának mélyén működő rendszert hozott létre. A muPS csapatát a Hiroyuki Tanaka a Tokiói Egyetemen, és új rendszere lehetővé teheti a felhasználók számára, hogy beltéri, földalatti és víz alatti környezetben is navigáljanak.

A GNSS-ek, mint például a GPS, úgy működnek, hogy rádiójeleket továbbítanak egy csoport műholdról egy földi vevőre. Míg a GNSS-ek forradalmasították közlekedésünket, a GNSS-jeleket gyorsan csillapítják az olyan anyagok, mint a fém, beton, kő és víz, ami korlátozza a beltéri, földalatti és víz alatti használatát.

2020-ban Tanaka csapata egy teljesen új megközelítést vezetett be, amely kozmikus müonok segítségével követi a vevő helyzetét. Ezek a részecskék akkor keletkeznek, amikor nagy energiájú kozmikus sugarak ütköznek a Föld légkörével, és folyamatosan záporoznak ránk.

Mozgás hegyeken keresztül

„A kozmikus müonokat nem hallgatják el, mint a rádióhullámokat, mivel még piramisokon vagy hegyeken is át tudnak hatolni, így a technika alkalmas az univerzális beltéri vagy földalatti navigációra” – magyarázza Tanaka.

A feltalálók által muPS vezeték nélküli navigációs rendszernek (muWNS) elnevezett rendszer a műholdakat három vagy több referencia müondetektorból álló hálózattal helyettesíti, amelyek szinkronban vannak egy vevődetektorral. Ezeket a referenciadetektorokat a tetőkön vagy magasabb emeleteken lehet felállítani beltéri navigációhoz, vagy föld- vagy tengerszinten a földalatti vagy víz alatti környezetben történő navigációhoz.

A rendszer úgy működik, hogy azonosítja azokat a müonokat, amelyek áthaladtak az egyik referenciadetektoron, majd áthaladtak a vevőn. Ezek a müonok közel fénysebességgel haladnak, ami lehetővé teszi a muWNS-nek, hogy kiszámítsa a referenciadetektor és a vevő közötti távolságot. Ha ezt többször megteszi különböző referenciadetektorok segítségével, a rendszer háromszögelést használ a vevő helyzetének meghatározására.

Bár a koncepció egyszerű, Tanaka csapatának számos kihívást kellett leküzdenie a muWNS fejlesztése során. A kezdeti tervezés megkövetelte, hogy a vevőt minden referenciaérzékelőhöz bekössék, hogy garantálják a pontos időszinkronizálást, ami súlyosan korlátozta a rendszer hatótávolságát és hasznosságát.

Precíziós időmérő

A probléma megkerülése érdekében a csapat ultraprecíz kvarckristályórákkal szerelte fel a detektorokat, amelyeket szinkronizáltak, hogy vezeték nélkül összehasonlíthassák a müonok érkezési idejét.

A kutatóknak sikerült javítaniuk a kezdeti rendszerük pontosságát is. „Amikor körülbelül egy éve először bemutatták a muWNS-t, a navigációs pontosság mindössze 10 méteres volt” – emlékszik vissza Tanaka. "Ez messze nem a kielégítő szint a gyakorlati megvalósítás szempontjából."

Az órák pontosságának további javításával a csapat mostanra jelentősen csökkentette az időzítésekben felhalmozódó hibákat. A legutóbbi bemutató során Tanaka csapata kimutatta, hogy a muWNS már elég pontos ahhoz, hogy hasznos legyen a beltéri navigációhoz.

Egy új tanulmányban a kutatók a muWNS segítségével követték nyomon a felhasználó útvonalát a Tokiói Egyetem Ipartudományi Intézetének pinceszintjén – egy olyan területen, amely a hagyományos GNSS-sel nem érhető el. Ez az épület hatodik emeletén elhelyezett referenciadetektorok segítségével történt.

Észrevehető javulás

Amikor a felhasználó közel volt a referenciadetektorokhoz, a rendszer észrevehető javulást mutatott. „A muWNS jelenlegi pontossága 2–25 m, hatótávolsága akár 100 m is lehet, a sétáló személy mélységétől és sebességétől függően” – magyarázza Tanaka. "Ez olyan jó, ha nem jobb, mint az egypontos GPS helymeghatározás a föld felett városi területeken."

Tanaka szerint azonban még mindig van mit javítani. „A MuWNS még mindig messze van a praktikustól. Az embereknek egyméteres pontosságra van szükségük, és ennek kulcsa az időszinkronizálás.”

A kutatók azt remélik, hogy a jövőbeni fejlesztéseket chip-méretű atomórák segítségével lehet elérni az időzítéshez. Ezek az órák egy nagyságrenddel pontosabbak, mint a kvarckristályok, de ma már túl drágák a gyakorlati használatra. Tanaka csapata a rendszer alkatrészeit is miniatürizálni kívánja, és úgy véli, hogy végül egy kézi eszközre is elférhet.

A kutatás leírása a iScience.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa