GPS无法企及之处：新技术导航的潜在应用 | Cell Press论文速递

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超快亚原子尺寸的μ介子用于地下无线导航，这是一个世界首创。通过使用与地下介子探测接收器同步的介子探测地面站，东京大学的研究人员可以计算出六层楼以下地下室中接收器的位置。由于GPS不能穿透岩石或水，因此这项新技术可在未来替代GPS用于搜索和救援工作，监测海底火山状况，并导引地下和水下自动驾驶车辆的运行。2023年5月29日，该研究成果以“First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊iScience上。

全球定位系统（GPS）是一种成熟的导航工具，从更安全的航空旅行到实时位置映射，都产生了广泛而积极的影响。然而，它也存在一些局限性。GPS信号在高纬度地区时较弱，可能会被干扰或欺骗（即伪造信号取代真实信号）。信号还可能被墙壁等表面反射，被树木干扰，无法穿过建筑物、岩石或水。

相比之下，近年来发现的μ介子具有极强的渗透性，因其能够帮助人们深入火山内部、探测金字塔内部以及观测旋风而频频登上新闻头条。全球范围内不断有μ介子从宇宙太空而来（每分钟大约有10,000个），而且无法被篡改。“宇宙射线高能粒子—μ介子在地球上均匀分布，并且无论穿越何种物质，它们总是以相同的速度行进，甚至可以穿越数公里的岩石”，东京大学Muographix研究所田中博之教授解释道：“现在，通过使用μ介子，我们开发出了一种新型的全球定位系统，称为μ介子测量定位系统（muPS），该技术可以在地下、室内和水下工作。”

muPS最初是为了帮助监测由海底火山或地壳运动引起的海底变化而创建的。它使用地面上的四个μ介子探测参考站来为地下的μ介子探测接收器提供坐标，在早期技术中，地下的接收器需要通过一根电线连接到地面站，这就大大限制了移动灵活性。经过不断的发展，最新研究表明，可以利用高精度石英钟来将地面站与接收器信号同步。参考站提供的四个参数加之同步钟测得的μ介子的“飞行时间”，使得接收器的坐标得以确定。这个新系统被称为μ介子测量无线导航系统（MuWNS）。

为了测试MuWNS的导航能力，参考探测器被放置在一座建筑物的六楼，而“被导航者”则携带接收器探测器到地下室楼层。他们握着接收器，在地下楼层缓慢来回走动，与实时导航不同，测量数据被记录下来用于计算所走的路线，并确认所走的路径。

“目前，MuWNS能够在2米到25米之间准确定位，覆盖范围最高可达100米，而这则取决于行走者所处的深度和运动的速度。”田中教授表示：“这与地面上城市区域的单点GPS定位效果接近，甚至更好。但距离实际应用还有很大差距。人们需要1米的定位精度级，而实现这一目标的关键在于时间同步。”

改进这个系统以实现实时的1米级精确导航需要大量的时间和资金支持。理想条件下，研究团队希望使用芯片尺寸的原子钟（CSAC）。“商业化的CSAC已经问世，比我们目前使用的石英钟精度高两个数量级。然而，目前CSAC的价格过于昂贵，但可预见的是随着全球对于手机CSAC需求的增加，其价格将会大幅下降”，田中教授说道。

MuWNS未来可能被用于水下机器人导航或地下自动驾驶车辆引导。除了原子钟之外，MuWNS中所有的电子组件都可以微型化。因此研究团队希望最终能使其装入手持设备，例如手机当中。在建筑物或矿井坍塌等紧急情况下，这可能成为救援行动的关键指引。

图1：使用μ介子在室内进行导航

说明：图中的红色线条表示“被导航者”所走的路径，带有点的白色线条显示了MuWNS记录的路径。

来源：2023年田中博之

知识共享许可：CC-BY-4.0

视频片段（5-10秒，无声音）：降落的μ介子

说明：μ介子只存在2.2 μS（1μS=10-6 S），但由于它们在真空中以光速行驶（每秒30万公里），因此它们有足够的时间穿越大气，抵达地球并深入地下。

来源：2015年田中博之

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图2：室内和地下替代技术的优缺点

说明：据研究人员表示，当在室内或地下环境中使用MuWNS时，相比于射频识别（RFID）和Zigbee技术相比，MuWNS可以实现更高的精确度。（尽管精度远低于激光雷达和声波导航，但其覆盖范围更广。）

来源：2023年田中博之

知识共享许可：CC-BY-4.0

基于宇宙射线μ介子的地下导航——超快且超微的亚原子粒子——取得了最新的突破。未来，这个新系统有可能与GPS媲美，在以往难以到达的地方提供更为可靠和准确的导航信息。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

First Navigation with Wireless Muometric Navigation System (MuWNS) in Indoor and Underground Environments

▌论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(23)01077-5

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107000

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