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宇宙射线导航技术:探索无GPS定位的新天地

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  “导航”这个词容易引起误解。按字面理解,“导航”似乎就是前面有个东西领着你走。但科技上所谓的“导航”,是让你知道自己所处的地理位置的意思,是“定位”的同义词。

  GPS导航的缺点

  我们现在用全球卫星定位系统(GPS)来导航。GPS是这样工作的:假如你开着车,那么在太空中,至少有4颗以上的全球定位卫星在同时向你车上的GPS接收器发射无线电信号;不过,因为这些卫星分布在太空的不同位置,与你的距离各有远近,所以你接收到的4颗卫星的信号之间会有微小的时间差。根据这个时间差,可以精确计算出你此刻的位置,从而实现导航的目的。

  现在,GPS几乎覆盖全球,但它也不是万能的。譬如,它就不能给水下的潜艇导航,因为GPS发射的无线电波会被水吸收,到达不了水下。正是由于没有精确的水下导航技术,潜艇触礁的事件时有发生。

  GPS在高纬度的北极地区也不能精确导航。这一方面是因为GPS的定位卫星大多数运行在低纬度地区,在北极上空运行的很少;另一方面也是因为两极上空来自太空的带电粒子太多,对GPS信号的干扰太大。可是,随着全球气候变暖,很多船只和潜艇已经开始进入北极地区活动,那里迫切需要一种精确的导航技术。

  让人意想不到的是,利用宇宙射线轰击地球大气时产生的μ子,也可以进行导航,而且还可以补GPS导航之不足。这正是北极所需要的。

  μ子定位的原理

  宇宙射线是来自太空的高能带电粒子。它们通常起源于太阳系外,甚至银河系外。当一阵宇宙射线粒子流撞击上层大气时,会像天女散花一样,产生大量的μ子落下。平均而言,地面上只有你的拇指甲这么一丁点大的面积,每分钟就有一个μ子穿过。

  而且,我们可以认为,在同一阵射线流中,不同粒子的撞击时间先后可以忽略不计(换句话说,撞击在同一时间发生)。因为它们既然从那么大老远的地方来,还能保持在同一支“队伍”里,说明它们的速度几乎完全相等,否则在途中有的早就落伍了。


  由宇宙射线撞击大气产生的μ子是一种穿透力极强的粒子,可以穿透水甚至岩石。它是一种不稳定的粒子,静止寿命只有2.2微秒。但是,宇宙射线产生的μ子几乎以光速运动,所以它的寿命可以延长到60微秒之多。在它衰变之前,可以飞行大约2万米之远,足以穿透海洋的水体以及浅层的地表。

  μ子定位的原理是这样:在地面大范围布置许多个μ子探测器,每个探测器还要配备一个原子钟,用于校对μ子被探测到的时间。这相当于GPS定位系统中的基站。然后,在移动物体(如船只、潜艇)上也配备一套μ子探测器和原子钟。当高空中宇宙射线粒子流撞击大气时,会向地面倾撒大量的μ子。我们不妨把这当作一次撞击事件。当来自同一次撞击事件的μ子,一个被基站A探测到,另一个被移动物体探测到,因飞过的距离不同,两者会有一个时间差。根据时间差,就可以得知移动物体距离基站A有多远,假设这个距离是r1。或者说,可以确定,移动物体处在以基站A为圆心,以r1为半径的圆周上。

  假如移动物体静止不动,过了一会儿,第二次撞击事件发生。移动物体又探测到第二阵宇宙射线流(可以与前一阵有不同的来源)撞击产生的一个μ子,而同一撞击产生的另一个μ子被基站B探测到了,我们又可以知道移动物体距离基站B有多远,假设这个距离是r2。可以确定,移动物体处在以基站B为圆心,以r2为半径的圆周上。

  移动物体既要满足离基站A距离r1,又要满足离基站B距离r2,从几何学上说,它必处于两个圆周的交点中的一个上。这样,理论上说,就能唯一地确定移动物体的位置。当然,你要是想提高精度,可以多探测几个撞击事件。实验室测试表明,探测10个事件就足以使定位精确到60毫米。进一步的测量能将精度提高到10毫米或更少。

  广阔的应用前景

  从上述工作原理上,你或许已经看出,这种定位方式也有不足之处:移动物体要多次探测μ子才能定位,但这一次与下一次探测毕竟有时间间隔。这意味着,在定位时,移动物体最好是呆在原地不动,才能让定位精确。因此,它不适合给那些在做高速运动的物体(如飞机、导弹等)定位。但考虑到船只和潜艇的移动速度都比较慢,或者为了准确定位,停一停都无妨,所以对它们倒是蛮合适的。


  这套定位系统需要使用1平方米大小的μ子探测器,以及精确到100亿分之一秒的原子钟。这些设备每一样都价格不菲,动辄数百万美元。但钱不是问题,真正的挑战是,如何确保它们能够在北极平均-20℃的低温环境或者数千米深的水底下工作。

  目前,该系统已经在英国一个大型水箱中通过测试,随后将转移到芬兰一个覆盖1米厚的冰的高纬度湖泊中进行测试。如果成功,它将在军事、海洋勘探等方面有着广阔的应用前景,甚至在GPS的定位卫星受到攻击的时候,暂时可以替代GPS进行导航。

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