利用宇宙射线导航，未来的深海探索无需担心没 GPS 信号

SF中文
2023-06-23 11:45

要想进行导航，我们常常会依靠 GPS、北斗等卫星导航系统。但有些地方，尤其是地下深处，卫星信号难以企及。那该怎么办呢？最近，科学家就提出，利用宇宙射线与地球大气层碰撞时产生的一种粒子，就能解决这个问题。

文 | 陈强

卫星导航系统有盲区

卫星导航系统，不管是美国的全球定位系统（GPS）还是中国的北斗卫星导航系统（BDS），其工作原理得益于一种被称为“三边测量”的技术。接下来，我们就拿汽车导航为例，来阐明其原理。

一颗导航卫星围绕地球运行时，它会朝地面传播无线电波信号，你汽车上的信号接收器在每个瞬间都可接收到这个信号；记录下信号的发送时间和接收时间，就可以知道信号传播的时间，乘上信号的传播速度（光速），就可以得出此时汽车与这颗卫星之间的距离。距离知道了，这就意味着你的汽车位于以这个卫星为中心，以该距离为半径的球面上。要想知道汽车到底在哪里，我们还需要参考与其他卫星之间的距离。同样都以每颗卫星为中心，以距离为半径画出球面，这些球面的交点，就是此时汽车所在的位置。这些卫星的坐标都是已知的，这样就可以给出汽车的坐标。

但是，无线电波是一种很容易被阻挡的电磁波。它们无法穿透岩石或水，也很难穿过墙壁和茂密的树林。此外，导航卫星的信号在高纬度地区通常都很弱，两极上空目前还没有任何导航卫星在运行。所以，有必要研发出一个新的导航系统，来克服卫星导航系统的盲区。

借助穿透力极强的粒子

多年来，日本东京大学的物理学家田中宏幸和他的同事们一直在研究使用 μ 子作为导航卫星信号的替代者。μ 子是一种带有一个单位负电荷、自旋为 1/2 的基本粒子，它与同属于轻子的电子和 τ 子具有相似的性质。

来自外太空的宇宙射线与地球大气中的粒子碰撞时，会产生大量的 μ 子，它们如同雨滴一般朝着地面倾泻下来。μ 子几乎无处不在，此时此刻可能就有一大批 μ 子正从你身体穿行而过。据估计，地球每个平方厘米的表面每分钟就会有 1 个 μ 子落下。不过，你不必为此而担忧，μ 子对人体是无害的。

μ 子能以近光速行进，并可以穿透到地下很深的地方。因为其超强的穿透能力，近年来，μ 子成像技术得到了广泛关注和研究。科学家已经学会用 μ 子来扫描古代城墙、金字塔和火山等的内部结构。

μ 子可以穿透到无线电波无法穿透的地方，这使得田中宏幸等人想到，可以用它们来弥补卫星导航系统的不足。

μ 子与高精度时钟搭配起来

使用 μ 子进行导航，其原理跟卫星导航系统类似。4 个可检测 μ 子的参考站放置在地面上，μ 子的接收器放置在地下的设备或人身上。当天空中的 μ 子落下时，它们首先穿过参考站的探测器，然后抵达地下的接收器。记录到 μ 子穿过参考站和接收器之间的时间差，就可以进行三边测量，给出接收器的坐标。

在几年前，田中宏幸等人就以此为原理开发出了导航系统，被称之为 μ 子测量定位系统（muPS）。然而，muPS 需要有线的连接，这对于四处走动的人来说不是很实用。现在，该团队已经将系统无线化了，新系统被称为 μ 子测量无线导航系统（MuWNS）。

这个导航系统还不是那么完善，因为该系统还无法实时给出接收器的坐标。不过，该团队还是对其进行了实验。

他们把参考站和接收器都连接到已同步的精密石英钟上。其中一个参考站被放置在建筑物的 6 楼，而携带接收器的人在地下室四处走动。系统随后给出的接收器坐标，可以用来重建这个人在地下室走过的路线。结果显示，MuWNS 目前的精度在 2 米到 25 米之间，检测范围可达 100 米，具体取决于人所在的深度和行走的速度。这与地面上城市区域的 GPS 定位效果接近，甚至更好。

但这还远远没有达到可实际应用的水平。系统的精度需要至少达到 1 米，而且能做到实时导航。

问题的关键是时间同步。换句话说，MuWNS 需要更好的时钟。芯片级原子钟就是一个非常好的选择，它是采用铯原子在两个能级间跃迁发射出的精确微波信号来测定时间的。但这种时钟目前太贵了，也许在未来其价格会降下来。

与此同时，该团队希望努力将接收器的尺寸缩小到可以放在手上的东西。这样，通过进一步的改进，MuWNS 在未来可以应用到地下、水下、高纬度地区等所有卫星导航系统出现故障的地方，能协助我们完成搜索与救援、地下采矿、海底监控、无线电静默区导航等多种任务。

参考文献：

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

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