Группа японских разработчиков представила недавно новую систему навигации MuWNS, которая будет работать под землей и под водой. Работа системы основана на использовании космических лучей.
Диапазон спутниковой навигации GPS, как это ни парадоксально, очень ограничен. Несмотря на то, что спутники, которые соединяют нас с навигационной системой, находятся в 20 000 км от нас. Да, они летают высоко над поверхностью. Поэтому достаточно лишь толстого потолка или спуска в подвал, чтобы система перестала работать. Это, однако, может измениться благодаря использованию… космического излучения для навигации.
Спутниковая навигация, какой бы феноменальной она ни была, и которая часто спасает жизнь (не говоря уже о том, что облегчает ее ежедневно), имеет свои ограничения. Идеальными условиями для бесперебойной работы такой системы является чистое небо и связь, которой не мешают деревья или, тем более, здания. В противном случае сигнал может просто не дойти до нашего устройства со спутника и наоборот.
Эти ограничения возникают из-за того, что спутниковая навигация использует радиосигнал, который не способен преодолеть многие препятствия, окружающие нас ежедневно. Подобно тому, как с классической радиосвязью бывают проблемы когда мы находимся в лифте, в подвале или подземном гараже, так же и сигнал со спутника не имеет достаточной мощности, чтобы пробить многометровые препятствия. Потому что 20 000 км – это достаточно большое расстояние для радиоволн и препятствий на их пути.
Тоже интересно: Все, что нужно знать о Copilot от Microsoft
Мюоны вместо радио
Однако недавно исследователи из Токийского университета разработали технологию беспроводной навигации на основе мюонов, которую можно использовать где угодно на Земле, даже в глубоких подземных помещениях и под водой. Исследование было опубликовано в журнале iScience. Кому интересно, может с ним ознакомиться более детально. Мы попробуем объяснить все простыми словами.
Что такое мюоны? Это нестабильные заряженные элементарные частицы, которые имеют наибольшую проникающую способность. Их можно получить в лаборатории, но самое главное, что мощный поток мюонов постоянно достигает Земли в виде космических лучей, которые проникают почти на 2 км вглубь нашей планеты. Примерно 10 тысяч мюонов в минуту попадает на каждый квадратный метр поверхности Земли.
В последние годы мюоны привлекли повышенное внимание ученых. Именно из-за замечательной проникающей способности мюоны можно использовать для исследования глубин вулканов, заглядывать в сердце пирамид и изучать внутреннее строение циклонов. Кроме того, мюоны остаются невосприимчивыми к вмешательству.
“Мюоны космических лучей одинаково падают на Землю и всегда движутся с постоянной скоростью, независимо от того, какую материю они пронизывают, преодолевая даже километровую толщу горных пород”, – пояснил профессор Хироюки Танака из Muographix в Токийском университете. “Теперь, используя мюоны, мы разработали новый тип навигации, который мы назвали мюометрической системой позиционирования (muPS), которая работает под землей, в помещении и под водой”.
Предложенная технология называется muometric wireless navigation system (MuWNS), что можно перевести как “мюометрическая беспроводная навигационная система”. Она совершенствует технологию, разработанную ранее теми же исследователями, которая использовала мюоны для анализа движений тектонических плит. Такие исследования помогали отслеживать движение тектонических плит и на основе этого заблаговременно предупреждать о возможных землетрясениях.
Читайте также: Все о стандартах и спецификациях USB
Измерение расстояний с помощью MuWNS
Однако навигация требует сравнения расстояний, по крайней мере, от четырех точек для точного определения положения в 3D-среде. Мюоны достигают Земли непрерывным потоком. Но простое их обнаружение мало что дает. Поэтому необходимо создать систему связи между четырьмя станциями и устройством, местонахождение которого мы хотим отслеживать. На практике это означает, что эквивалент спутников MuWNS не обязательно должен находиться на орбите, а может быть установлен на поверхности Земли. То есть, это могут быть наземные базовые станции.
Первая версия технологии, которая использовалась для исследования тектонических плит, была проводной, то есть сигнал к и от каждого передатчика посылался через физические провода. Однако это полностью исключает использование ее для эффективной навигации. Потому что это достаточно громоздкая и дорогая вещь.
Решение проблемы оказалось довольно простым. Для беспроводной синхронизации детекторов и приемников были использованы точные кварцевые часы. Описание MuWNS звучит так:
“Четыре параметра, которые предоставляют опорные станции, и синхронизированные кварцевые часы, используемые для измерения “времени полета” мюонов, позволяют определить координаты приемника”.
В одном из первых экспериментов приемник, расположенный в подвале, удалось найти с помощью станции, расположенной на шестом этаже здания. Это невероятно, ведь система GPS с такой задачей точно бы не справилась.
Для тестирования ученые разместили детекторы на шестом этаже здания, а детектор-приемник в подвале. Осторожно двигаясь по коридорам подвала, исследователи, вместо использования навигации, проводили измерения в реальном времени, чтобы определить курс и проверить путь, по которому они шли.
В результате эксперимента оказалось, что точность MuWNS составляет от 2 до 25 м, с диапазоном до 100 м, в зависимости от глубины и скорости перемещения человека. Это так же хорошо, если не лучше, чем одноточечное GPS-позиционирование над землей в городских районах. Но до практического уровня еще далеко. Людям нужна точность до одного метра, и ключом к этому является синхронизация времени.
Читайте также: Обзор Motorola ThinkPhone: топовый смартфон бизнес-класса
Это не заменит GPS, но спасет жизни
Да, новая система навигации MuWNS пока находится на стадии разработок и экспериментов. Она еще довольно сырая, о ее использовании в масштабах даже одного города речь еще не идет.
К тому же на практике эта система будет значительно дороже, что может ограничивать ее практическое использование. К тому же, для глобального использования базовые станции такого типа навигации должны быть распространены по всему миру, как сейчас телекоммуникационные станции для мобильной связи. Для сравнения, вся система GPS опирается лишь на 31 спутник на орбите Земли.
Вторая проблема – точность. Хотя с помощью навигационной системы MuWNS мы можем “заглянуть” вглубь земли более чем на 1,5 км, использование кварцевых часов для синхронизации времени позволяет ориентироваться на статичные объекты, поскольку быстрое перемещение повлечет за собой ошибки в определении местоположения. Теоретически чипы атомных часов могли бы решить эту проблему, но сейчас они стоят от 2000 долларов, поэтому это значительно увеличило бы стоимость каждого устройства (смартфона, умных часов и т.д.), которое бы использовало эту технологию, по крайней мере, на эту сумму.
Совершенствование этой системы, которое сделало бы навигацию в реальном времени значительно точнее, требует времени и денег. В идеале команда хочет использовать атомные часы в масштабе микросхемы (CSAC), ведь CSAC уже являются коммерчески доступными и они лучше, чем кварцевые часы. Однако они слишком дорогие для нас сейчас. Но со временем, мы предполагаем, они станут намного дешевле, поскольку глобальный спрос на CSAC для мобильных телефонов будет расти.
Пройдет не менее 5 лет, прежде чем эта технология станет окончательно разработанной и широко доступной. Исследователи уже начали работу над следующей версией MuWNS под названием Vector muPS, которая не потребует работы атомных часов в режиме реального времени, что позволит решить одну из самых больших проблем этой технологии.
В будущем MuWNS можно будет использовать для управления беспилотными транспортными средствами под землей или управления подводными роботами. Кроме атомных часов, все другие электронные части MuWNS можно миниатюризировать, и команда разработчиков ожидает, что вскоре будет возможно интегрировать MuWNS в портативные устройства, такие как телефон. Это может изменить способ поиска и работу спасательных команд в чрезвычайных ситуациях, таких как обвал здания или горной породы в шахте.
Нет никаких сомнений, что уникальная технология MuWNS на основе мюонов будет использоваться, поскольку в определенных условиях эта навигация несравненно лучше, чем GPS. Когда необходимо ориентироваться под землей или под водой, например, во время спасательных или геологических экспедиций, такая навигационная система, даже если ее развернуть локально, будет одним из самых эффективных локаторов, которые нам позволяет наука. Возможно, с ее помощью удалось бы спасти пассажиров и членов экипажа батискафа “Титан”, который недавно затонул в водах Тихого океана.
Читайте также: