克服GPS导航盲区，利用宇宙射线的地下导航系统研成

一位艺术家描绘的宇宙射线从太空如雨点般落在地球上的插图。图片来源：美国生命科学网

科技日报记者 张佳欣

宇宙射线碰撞产生的亚原子粒子已被用于创造一种新型全球定位系统(GPS)。在一项发表在《iSicence》的新研究中，日本东京大学科学家展示了他们如何利用这些高能粒子在建筑物内、地下或水下深处导航。这项突破未来可用于采矿、深海勘探和其他GPS无法工作的领域。

当宇宙射线，即由太阳、被称为超新星的恒星爆炸和银河系外的神秘来源产生的高能粒子，撞击地球的高层大气时，会分裂成粒子流，最终衰变为μ介子。

研究人员介绍说，宇宙射线μ介子均匀地落在地球上，并且无论穿过什么物质，它们总是以相同的速度行进，甚至可以穿透数公里的岩石。现在，他们利用μ介子开发了一种定位系统(muPS)，它可在地下、室内和水下工作。

这种新方法的工作原理与传统的GPS类似，但科学家使用的是μ介子检测传感器作为参考点，而不是低地球轨道上的卫星。

μ介子成像通常发生在充满气体的腔体。当宇宙射线穿过它们时会产生闪光。通过探测器记录这些闪光，科学家可计算粒子的能量和轨迹。这个过程类似于X射线成像或探地雷达，这些方法需要发射X射线或无线电波，而μ介子是自然发生的。

构成muPS基础的系统依赖于地面上的4个μ介子参考站，为μ介子探测接收器提供坐标，接收器可部署在地下或水下。

日本团队于2021年在东京湾成功测试了该系统的有线版本，在海平面以下45米的地方使用了10个μ介子接收器。这些接收器能绘制水流运动图，有助于感知风暴或海啸，与卫星气象系统结合使用，该系统也有助于气旋预测。

该系统的最新版本称为测量无线导航系统（MuWNS），为了摆脱笨重的电线，研究人员想出了一种使用高精度石英钟来解决时滞问题的新解决方案，可在将参考站带入地下之前，将参考站与GPS接收器同步。在建筑物中进行的MuWNS测试显示，定位精度在2到25米之间。