为了导航，我们经常依赖GPS和北斗等卫星导航系统。 但有些地方，特别是地下深处，卫星信号很难到达。 那么该怎么办？ 最近，科学家提出，可以利用宇宙射线与地球大气层碰撞时产生的粒子来解决这个问题。

文字| 陈强

卫星导航系统存在盲点

卫星导航系统，无论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），都依靠一种称为“三边测量”的技术来工作。 下面我们以汽车导航为例来说明一下它的原理。

当导航卫星绕地球运行时，它会向地面广播无线电波信号，您车内的信号接收器每时每刻都可以接收到此信号； 记录信号发送的时间和接收的时间，就可以知道信号的传播时间，乘以信号的传播速度（光速），就可以得出此时汽车与卫星的距离时间。 距离已知，也就是说你的车位于以卫星为圆心、以距离为半径的球体上。 要知道汽车在哪里，我们还需要参考到其他卫星的距离。 同样以每颗卫星为圆心，以距离为半径画一个球体。 这些球体的交点就是此时汽车的位置。 这些卫星的坐标都是已知的，这样就可以给出汽车的坐标。

然而，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，也难以穿过墙壁和茂密的树林。 此外，导航卫星百思特网的信号通常在高纬度地区非常弱，目前两极上空还没有运行的导航卫星。 因此，有必要开发一种新的导航系统来克服卫星导航系统的盲点。

借助极强穿透力的粒子

多年来，日本东京大学的物理学家 和他的同事一直在研究使用 子作为导航卫星信号的替代品。 子是一种基本粒子，带有单位负电荷，自旋为1/2。 它与属于轻子的电子和子具有相似的性质。

当来自外层空间的宇宙射线与地球大气层中的粒子碰撞时，会产生大量子，这些子会像雨点一样落在地面上。 子几乎无处不在，现在可能有一大堆子穿过你的身体。 据估计，每分钟有 1 个子落在地球表面的每平方厘米上。 不过，你不必担心这一点，子对人体无害。

子可以以接近光速的速度行进，并且可以深入地球深处。 介子成像技术因其超强的穿透能力，近年百思特网来受到广泛的关注和研究。 科学家们已经学会使用子来扫描古城墙、金字塔和火山等的内部。

子可以穿透无线电波无法穿透的地方，这使得田中宏之等人认为它们可以用来弥补卫星导航系统的缺陷。

子与高精度时钟配对

使用子进行导航类似于卫星导航系统。 四个子探测参考站放置在地面上，子接收器放置在地下设备或人员身上。 当子从天而降时，它们首先通过参考站的探测器，然后到达地面的接收器。 记录子通过参考站和接收器之间的时间差可以进行三边测量，给出接收器的坐标。

几年前，田中弘之等人根据这一原理开发了一种导航系统，称为介子测量定位系统（muPS）。 然而，muPS 需要有线连接，这对于移动的人来说不太实用。 现在，该团队已将该系统无线化，新系统称为介子测量无线导航系统（MuWNS）。

这个导航系统并不是那么完美，因为系统无法实时给出接收器的坐标。 尽管如此，团队还是进行了实验。

他们将参考站和接收器连接到同步精密石英钟。 其中一个参考站位于大楼六楼，而携带百思特网接收器的人则在地下室走动。 系统给出的接收器坐标可用于重建该人在地下室的行进路线。 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，具体取决于人所处的深度和行走的速度。 这与城市地区地面 GPS 定位的效果即使不是更好，也是一样好。

但这远没有实际应用。 系统的精度至少需要达到1米，并且需要能够实时导航。

问题的关键是时间同步。 换句话说，MuWNS 需要一个更好的时钟。 芯片级原子钟是一个非常好的选择。 它利用铯原子在两个能级之间跃迁时发出的精确微波信号来测量时间。 但目前这种钟太贵了，也许以后它的价格会降下来。

与此同时，该团队希望致力于将接收器的尺寸减小到适合手上的尺寸。 这样，通过进一步完善，MuWNS可以应用于未来所有卫星导航系统失效的地下、水下、高纬度地区等地方，可以协助我们进行搜救、地下采矿、海底监测、无线电等工作。静区导航等各种任务。

参考：