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要想進(jìn)行導(dǎo)航，我們常常會依靠 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產(chǎn)生的一種粒子，就能解決這個問題。

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)，不管是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）還是中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），其工作原理得益于一種被稱為“三邊測量”的技術(shù)。接下來，我們就拿汽車導(dǎo)航為例，來闡明其原理。

一顆導(dǎo)航衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行時，它會朝地面?zhèn)鞑o線電波信號，你汽車上的信號接收器在每個瞬間都可接收到這個信號；記錄下信號的發(fā)送時間和接收時間，就可以知道信號傳播的時間，乘上信號的傳播速度（光速），就可以得出此時汽車與這顆衛(wèi)星之間的距離。距離知道了，這就意味著你的汽車位于以這個衛(wèi)星為中心，以該距離為半徑的球面上。要想知道汽車到底在哪里，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，以距離為半徑畫出球面，這些球面的交點，就是此時汽車所在的位置。這些衛(wèi)星的坐標(biāo)都是已知的，這樣就可以給出汽車的坐標(biāo)。

但是，無線電波是一種很容易被阻擋的電磁波。它們無法穿透巖石或水，也很難穿過墻壁和茂密的樹林。此外，導(dǎo)航衛(wèi)星的信號在高緯度地區(qū)通常都很弱，兩極上空目前還沒有任何導(dǎo)航衛(wèi)星在運(yùn)行。所以，有必要研發(fā)出一個新的導(dǎo)航系統(tǒng)，來克服衛(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，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)星信號的替代者。μ 子是一種帶有一個單位負(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)。

來自外太空的宇宙射線與地球大氣中的粒子碰撞時，會產(chǎn)生大量的 μ 子，它們?nèi)缤甑我话愠孛鎯A瀉下來。μ 子幾乎無處不在，此時此刻可能就有一大批 μ 子正從你身體穿行而過。據(jù)估計，地球每個平方厘米的表面每分鐘就會有 1 個 μ 子落下。不過，你不必為此而擔(dān)憂，μ 子對人體是無害的。

μ 子能以近光速行進(jìn)，并可以穿透到地下很深的地方。因為其超強(qiáng)的穿透能力，近年來，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)會用 μ 子來掃描古代城墻、金字塔和火山等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

μ 子可以穿透到無線電波無法穿透的地方，這使得田中宏幸等人想到，可以用它們來彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不足。

μ 子與高精度時鐘搭配起來

使用 μ 子進(jìn)行導(dǎo)航，其原理跟衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)類似。4 個可檢測 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，它們首先穿過參考站的探測器，然后抵達(dá)地下的接收器。記錄到 μ 子穿過參考站和接收器之間的時間差，就可以進(jìn)行三邊測量，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發(fā)出了導(dǎo)航系統(tǒng)，被稱之為 μ 子測量定位系統(tǒng)（muPS）。然而，muPS 需要有線的連接，這對于四處走動的人來說不是很實用?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊已經(jīng)將系統(tǒng)無線化了，新系統(tǒng)被稱為 μ 子測量無線導(dǎo)航系統(tǒng)（MuWNS）。

這個導(dǎo)航系統(tǒng)還不是那么完善，因為該系統(tǒng)還無法實時給出接收器的坐標(biāo)。不過，該團(tuán)隊還是對其進(jìn)行了實驗。

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。系統(tǒng)隨后給出的接收器坐標(biāo)，可以用來重建這個人在地下室走過的路線。結(jié)果顯示，MuWNS 目前的精度在 2 米到 25 米之間，檢測范圍可達(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)沒有達(dá)到可實際應(yīng)用的水平。系統(tǒng)的精度需要至少達(dá)到 1 米，而且能做到實時導(dǎo)航。

問題的關(guān)鍵是時間同步。換句話說，MuWNS 需要更好的時鐘。芯片級原子鐘就是一個非常好的選擇，它是采用銫原子在兩個能級間躍遷發(fā)射出的精確微波信號來測定時間的。但這種時鐘目前太貴了，也許在未來其價格會降下來。

與此同時，該團(tuán)隊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，通過進(jìn)一步的改進(jìn)，MuWNS 在未來可以應(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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