Група японських розробників презентувала нещодавно нову систему навігації MuWNS, яка працюватиме під землею та під водою. Робота системи заснована на використанні космічних променів.
Діапазон супутникової навігації GPS, як це не парадоксально, дуже обмежений. Незважаючи на те, що супутники, які з’єднують нас із навігаційною системою, знаходяться за 20 000 км від нас. Так, вони літають високо над поверхнею. Тому достатньо лише товстої стелі або спуску в підвал, щоб система припинила працювати. Це, однак, може змінитися завдяки використанню… космічного випромінювання для навігації.
Супутникова навігація, якою б феноменальною вона не була і яка часто рятує життя (не кажучи вже про те, що полегшує його щодня), має свої обмеження. Ідеальними умовами для безперебійної роботи такої системи є чисте небо та зв’язок, якому не заважають дерева чи, тим більше, будівлі. В іншому випадку сигнал може просто не дійти до нашого пристрою з супутника і навпаки.
Ці обмеження виникають через те, що супутникова навігація використовує радіосигнал, який не здатний подолати багато перешкод, які оточують нас щодня. Подібно до того, як класичний радіозв’язок має проблеми, коли ми перебуваємо в ліфті, у підвалі чи підземному гаражі, так само і сигнал з супутника не має достатньої потужності, щоб пробити кількаметрові перешкоди. Бо 20 000 км – це досить велика відстань для радіохвиль і перешкод на їх шляху.
Також цікаво: Як Тайвань, Китай і США борються за технологічне домінування: велика війна чипів
Мюони замість радіо
Однак нещодавно дослідники з Токійського університету розробили технологію бездротової навігації на основі мюонів, яку можна використовувати будь-де на Землі, навіть у глибоких підземних приміщеннях та під водою. Дослідження було опубліковано в журналі iScience. Кому цікаво, може з ним ознайомитись більш детально. Ми спробуємо пояснити все простими словами.
Що таке мюони? Це нестабільні заряджені елементарні частинки, які мають найбільшу проникну здатність. Їх можна отримати в лабораторії, але найголовніше, що потужний потік мюонів постійно досягає Землі у вигляді космічних променів, які проникають майже на 2 км вглиб нашої планети. Приблизно 10 тисяч мюонів на хвилину потрапляє на кожен квадратний метр поверхні Землі.
Останніми роками мюони привернули значну увагу вчених. Саме через чудову проникну здатність мюони можна використовувати для дослідження глибин вулканів, заглядати в серце пірамід і вивчати внутрішню будову циклонів. Крім того, мюони залишаються несприйнятливими до втручання.
“Мюони космічних променів однаково падають на Землю і завжди рухаються з постійною швидкістю, незалежно від того, яку матерію вони перетинають, долаючи навіть кілометрову товщу гірських порід”, — пояснив професор Хіроюкі Танака з Muographix у Токійському університеті. “Тепер, використовуючи мюони, ми розробили новий тип навігації, який ми назвали мюометричною системою позиціонування (muPS), яка працює під землею, в приміщенні та під водою”.
Запропонована технологія називається muometric wireless navigation system (MuWNS), що можна перекласти як “мюометрична бездротова навігаційна система”. Вона удосконалює технологію, розроблену раніше тими ж дослідниками, яка використовувала мюони для аналізу рухів тектонічних плит. Такі дослідження допомагали відслідковувати рух тектонічних плит та на основі цього завчасно попереджати про можливі землетруси.
Також цікаво: Все про специфікації USB та чим USB Type-C відрізняється від USB Type-A
Вимірювання відстаней за допомогою MuWNS
Однак навігація вимагає порівняння відстаней від, принаймні, чотирьох точок для точного визначення положення в 3D-середовищі. Мюони досягають Землі безперервним потоком. Але просте їх виявлення мало що дає. Тому необхідно створити систему зв’язку між чотирма станціями та пристроєм, місцезнаходження якого ми хочемо відстежувати. На практиці це означає, що еквівалент супутників MuWNS не обов’язково повинен перебувати на орбіті, а може бути встановлений на поверхні Землі. Тобто, це наземні базові станції.
Перша версія технології, яка використовувалася для дослідження тектонічних плит, була дротовою, тобто сигнал до та від кожного передавача надсилався через фізичні дроти. Однак це повністю унеможливлює використання її для ефективної навігації. Бо це досить громіздка та дорога річ.
Рішення проблеми виявилося досить простим. Для бездротової синхронізації детекторів і приймачів були використані точні кварцові годинники. Опис MuWNS звучить так:
“Чотири параметри, які надають опорні станції та синхронізовані кварцові годинники, що використовуються для вимірювання “часу польоту” мюонів, дозволяють визначити координати приймача”.
В одному з перших експериментів приймач, розташований у підвалі, вдалося знайти за допомогою станції, розташованої на шостому поверсі будівлі. Це неймовірно, адже система GPS з таким завданням точно б не впоралась.
Для тестування вчені розмістили детектори на шостому поверсі будівлі, а детектор-приймач у підвалі. Обережно рухаючись коридорами підвалу, дослідники, замість використання навігації, проводили вимірювання в реальному часі, щоб визначити курс і перевірити шлях, яким вони йшли.
В результаті експерименту виявилось, що точність MuWNS становить від 2 до 25 м, з діапазоном до 100 м, залежно від глибини та швидкості переміщення людини. Це так само добре, якщо не краще, за одноточкове GPS-позиціонування над землею в міських районах. Але до практичного рівня ще далеко. Людям потрібна точність до одного метра, і ключем до цього є синхронізація часу.
Читайте також: Все, що потрібно знати про Copilot від Microsoft
Це не замінить GPS, але врятує життя
Так, нова система навігації MuWNS поки що знаходиться на стадії розробок та експериментів. Вона ще досить сира, про її використання в масштабах навіть одного міста мова ще не йде.
До того ж на практиці ця система буде значно дорожчою, що може обмежувати її практичне використання. До того ж, для глобального використання базові станції такого типу навігації повинні бути розповсюджені по всьому світу, як зараз телекомунікаційні станції для мобільного зв’язку. Для порівняння, вся система GPS спирається лише на 31 супутник на орбіті Землі.
Друга проблема – точність. Хоча за допомогою навігаційної системи MuWNS ми можемо “заглянути” вглиб землі на понад 1,5 км, використання кварцових годинників для синхронізації часу дозволяє орієнтуватися на статичні об’єкти, оскільки швидке переміщення спричинить помилки у визначенні місця розташування. Теоретично чипи атомного годинника могли б вирішити цю проблему, але зараз вони коштують від 2000 доларів, тому це значно збільшило б вартість кожного пристрою (смартфона, розумного годинника тощо), який би використовував цю технологію, принаймні, на цю суму.
Удосконалення цієї системи, яке зробило б навігацію в реальному часі значно точнішою, вимагає часу та грошей. В ідеалі команда хоче використовувати атомні годинники в масштабі мікросхеми (CSAC), адже CSAC вже є комерційно доступними та кращими, ніж поточні кварцові годинники. Однак вони занадто дорогі для нас зараз. Але з часом, сподіваємося, вони стануть набагато дешевшими, оскільки глобальний попит на CSAC для мобільних телефонів зростатиме.
Пройде щонайменше 5 років, перш ніж ця технологія стане остаточно розробленою та широко доступною. Дослідники вже розпочали роботу над наступною версією MuWNS під назвою Vector muPS, яка не потребуватиме роботи атомних годинників у режимі реального часу, що дозволить вирішити одну з найбільших проблем цієї технології.
У майбутньому MuWNS можна буде використовувати для управління безпілотними транспортними засобами під землею або керування підводними роботами. Крім атомного годинника, усі інші електронні частини MuWNS можна мініатюризувати, і команда розробників очікує, що незабаром буде можливо інтегрувати MuWNS у портативні пристрої, такі як телефон. Це може змінити спосіб пошуку та роботу рятувальних команд у надзвичайних ситуаціях, таких як обвал будівлі чи гірничої породи у шахті.
Немає жодних сумнівів, що унікальна технологія MuWNS на основі мюонів буде використовуватись, оскільки в певних умовах ця навігація незрівнянно краща, ніж GPS. Коли необхідно орієнтуватися під землею або під водою, наприклад, під час рятувальних чи геологічних експедицій, така навігаційна система, навіть якщо її розгорнути локально, буде одним із найефективніших локаторів, які нам дозволяє наука. Можливо, з її допомогою вдалося б врятувати пасажирів і членів екіпажу батискафа “Титан”, який недавно затонув у водах Тихого океану.
Читайте також: