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要想進(jìn)行導(dǎo)航，我們常常會(huì)依靠 GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。但有些地方，尤其是地下深處，衛(wèi)星信號(hào)難以企及。那該怎么辦呢？最近，科學(xué)家就提出，利用宇宙射線與地球大氣層碰撞時(shí)產(chǎn)生的一種粒子，就能解決這個(gè)問(wèn)題。
文 | 陳強(qiáng)
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有盲區(qū)
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不管是美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）還是中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），其工作原理得益于一種被稱為“三邊測(cè)量”的技術(shù)。接下來(lái)，我們就拿汽車(chē)導(dǎo)航為例，來(lái)闡明其原理。
一顆導(dǎo)航衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行時(shí)，它會(huì)朝地面?zhèn)鞑o(wú)線電波信號(hào)，你汽車(chē)上的信號(hào)接收器在每個(gè)瞬間都可接收到這個(gè)信號(hào)；記錄下信號(hào)的發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間，就可以知道信號(hào)傳播的時(shí)間，乘上信號(hào)的傳播速度（光速），就可以得出此時(shí)汽車(chē)與這顆衛(wèi)星之間的距離。距離知道了，這就意味著你的汽車(chē)位于以這個(gè)衛(wèi)星為中心，以該距離為半徑的球面上。要想知道汽車(chē)到底在哪里，我們還需要參考與其他衛(wèi)星之間的距離。同樣都以每顆衛(wèi)星為中心，以距離為半徑畫(huà)出球面，這些球面的交點(diǎn)，就是此時(shí)汽車(chē)所在的位置。這些衛(wèi)星的坐標(biāo)都是已知的，這樣就可以給出汽車(chē)的坐標(biāo)。
但是，無(wú)線電波是一種很容易被阻擋的電磁波。它們無(wú)法穿透巖石或水，也很難穿過(guò)墻壁和茂密的樹(shù)林。此外，導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)在高緯度地區(qū)通常都很弱，兩極上空目前還沒(méi)有任何導(dǎo)航衛(wèi)星在運(yùn)行。所以，有必要研發(fā)出一個(gè)新的導(dǎo)航系統(tǒng)，來(lái)克服衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的盲區(qū)。
借助穿透力極強(qiáng)的粒子
多年來(lái)，日本東京大學(xué)的物理學(xué)家田中宏幸和他的同事們一直在研究使用 μ 子作為導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的替代者。μ 子是一種帶有一個(gè)單位負(fù)電荷、自旋為 1/2 的基本粒子，它與同屬于輕子的電子和 τ 子具有相似的性質(zhì)。
來(lái)自外太空的宇宙射線與地球大氣中的粒子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的 μ 子，它們?nèi)缤甑我话愠孛鎯A瀉下來(lái)。μ 子幾乎無(wú)處不在，此時(shí)此刻可能就有一大批 μ 子正從你身體穿行而過(guò)。據(jù)估計(jì)，地球每個(gè)平方厘米的表面每分鐘就會(huì)有 1 個(gè) μ 子落下。不過(guò)，你不必為此而擔(dān)憂，μ 子對(duì)人體是無(wú)害的。
μ 子能以近光速行進(jìn)，并可以穿透到地下很深的地方。因?yàn)槠涑瑥?qiáng)的穿透能力，近年來(lái)，μ 子成像技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和研究?？茖W(xué)家已經(jīng)學(xué)會(huì)用 μ 子來(lái)掃描古代城墻、金字塔和火山等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
μ 子可以穿透到無(wú)線電波無(wú)法穿透的地方，這使得田中宏幸等人想到，可以用它們來(lái)彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不足。
μ 子與高精度時(shí)鐘搭配起來(lái)
使用 μ 子進(jìn)行導(dǎo)航，其原理跟衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)類(lèi)似。4 個(gè)可檢測(cè) μ 子的參考站放置在地面上，μ 子的接收器放置在地下的設(shè)備或人身上。當(dāng)天空中的 μ 子落下時(shí)，它們首先穿過(guò)參考站的探測(cè)器，然后抵達(dá)地下的接收器。記錄到 μ 子穿過(guò)參考站和接收器之間的時(shí)間差，就可以進(jìn)行三邊測(cè)量，給出接收器的坐標(biāo)。
在幾年前，田中宏幸等人就以此為原理開(kāi)發(fā)出了導(dǎo)航系統(tǒng)，被稱之為 μ 子測(cè)量定位系統(tǒng)（muPS）。然而，muPS 需要有線的連接，這對(duì)于四處走動(dòng)的人來(lái)說(shuō)不是很實(shí)用?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將系統(tǒng)無(wú)線化了，新系統(tǒng)被稱為 μ 子測(cè)量無(wú)線導(dǎo)航系統(tǒng)（MuWNS）。
這個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)還不是那么完善，因?yàn)樵撓到y(tǒng)還無(wú)法實(shí)時(shí)給出接收器的坐標(biāo)。不過(guò)，該團(tuán)隊(duì)還是對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
他們把參考站和接收器都連接到已同步的精密石英鐘上。其中一個(gè)參考站被放置在建筑物的 6 樓，而攜帶接收器的人在地下室四處走動(dòng)。系統(tǒng)隨后給出的接收器坐標(biāo)，可以用來(lái)重建這個(gè)人在地下室走過(guò)的路線。結(jié)果顯示，MuWNS 目前的精度在 2 米到 25 米之間，檢測(cè)范圍可達(dá) 100 米，具體取決于人所在的深度和行走的速度。這與地面上城市區(qū)域的 GPS 定位效果接近，甚至更好。
但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到可實(shí)際應(yīng)用的水平。系統(tǒng)的精度需要至少達(dá)到 1 米，而且能做到實(shí)時(shí)導(dǎo)航。
問(wèn)題的關(guān)鍵是時(shí)間同步。換句話說(shuō)，MuWNS 需要更好的時(shí)鐘。芯片級(jí)原子鐘就是一個(gè)非常好的選擇，它是采用銫原子在兩個(gè)能級(jí)間躍遷發(fā)射出的精確微波信號(hào)來(lái)測(cè)定時(shí)間的。但這種時(shí)鐘目前太貴了，也許在未來(lái)其價(jià)格會(huì)降下來(lái)。
與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)希望努力將接收器的尺寸縮小到可以放在手上的東西。這樣，通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)，MuWNS 在未來(lái)可以應(yīng)用到地下、水下、高緯度地區(qū)等所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障的地方，能協(xié)助我們完成搜索與救援、地下采礦、海底監(jiān)控、無(wú)線電靜默區(qū)導(dǎo)航等多種任務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107000
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